多色碳点的制备、性能与应用研究

多色碳点的制备、性能与应用研究碳点,近乎准球型的零维新兴碳基纳米功能材料,在利用电弧放电纯化单壁碳纳米管的过程中,于2004年首次被发现。由于其异质原子可掺杂、表面官能团可修饰、宽的紫外光吸收波段、低毒、生物相容性、粒子表面效应、隧道效应等优异的光学特性,使得其在金属粒子检测、太阳能器件、生物标记、细胞成像、光电器件等领域有着广泛的应用。经过十多年的发展,上述诸多领域已取得重多突破和创新。但多数碳点局限在短波长范围,量子效率低。本论文立足于改善合成、提纯工艺,提高碳点的产率和量子效率,制备多色碳点。通过不同异质原子的参杂,热溶剂的调控以及合成条件的优化,制备出了红、黄、绿、蓝几种不同波长的碳点,最终实现了其在防伪标识、Fe³⁺检测和光致发光器件上的应用。具体内容如下:（1）苹果酸为碳源合成蓝光碳点及其防伪标识的应用研究:以苹果酸为碳源,通过微波消解法,制备了量子效率为25%的蓝色荧光碳点。通过丙酮的注入,前驱液极性改变,达到目标产物大量沉降的目的,碳点的产率高达65%。XPS和FTIR表征结果表明,合成的碳点表面包覆大量含氧官能团,决定了制备的碳点具有良好的水溶性和醇溶性。同时定性的分析了脱水缩合的碳化过程,也从理论上解释了反应机理。激发发射光谱表明,在激发光谱上有两个强度相当的能量传递波峰,对应于发射的蓝光和黄光,这一特殊的激发依赖特性,可以实现其在防伪标识上的应用。（2）对苯二胺为碳源合成PH敏感型绿色荧光碳点及其Fe³⁺检测的应用研究:以对苯二胺为碳源,磷酸为热溶剂,通过水热法一锅合成具有PH值敏感的绿色碳点。当激发波长从370nm增加到450nm,发射波长固定在510nm,表现出良好的激发独立性。通过NaOH与磷酸溶液混合调控PH值大小,当PH值减小荧光强度增加,PH值增加荧光强度减小直到猝灭。该碳点的这种荧光淬灭/恢复现象具有可逆性、可重复性,这为荧光探针的应用提供了理论依据。同时该碳点对Fe³⁺表现出独特的检测性能,通过荧光强度的响应规律,计算得到了检测Fe³⁺的极限浓度,最终实现了该碳点对三价铁离子检测的目的。（3）中性红为碳源通过调控溶剂合成红、黄、蓝碳点及其光致发光器件的应用研究:以中心红为碳源,通过水热法,调控热溶剂环境以及反应温度,得到量子效率分别为34%、53%、70%的红色、黄色、蓝色碳点。结构表征和光学特性分析表明:不同的发射波长是由于各自表面态具有不同量的C=N和C=O造成的。从蓝色、黄色到红碳点,随着表面态包覆的C=N与C=O含量的增加,这两种化学官能团产生n-π*跃迁的共轭吸收带将会累积,共轭吸收带将会红移,吸收光谱与激发光谱的交叠红移,最终造成不同的荧光发射;有效能量传递的不同、表面态环氧官能团含量的不同,以及由发射峰与吸收峰交叠引起的自吸收不同,是三种碳点具有不同量子产率的根本原因;黄色碳点与红色碳点激发独立,这是由于他们表面被充分钝化,有着均一固定的发射态。蓝色碳点激发依赖,这是由于他们表面被部分钝化,存在着众多不同的n-π*跃迁能级。通过聚乙烯吡咯烷酮分散基质的掺杂,固态碳纳米荧光粉克服了自组织猝灭,表现出与液体碳点几乎相同的量子产率,上述结果表明这些碳点不仅具有荧光稳定性,还有可观的材料兼容性和良好的分散性,为光致发光器件的实现提供了条件。最终将复合的固态