一种碳量子点及其制备方法

摘要

本发明提供了一种碳量子点及其制备方法。该制备方法包括：在惰性气氛下，将含有聚合芳环结构的碳前驱体升温至420℃‑450℃，煅烧1h‑6h，得到中间相沥青；将中间相沥青在溶剂中分散，得到分散液；将分散液涂布在基底表面上，在惰性气氛下进行碳化，得到负载有碳量子点的基底；将负载有碳量子点的基底在溶剂中超声，得到碳量子点的分散液。本发明还提供了通过上述制备方法得到的碳量子点，该碳量子点具有优异的荧光性能。本发明的上述制备方法可以精准控制碳量子点的尺寸。

权利要求

1.一种碳量子点的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：步骤一：在惰性气氛下，将含有聚合芳环结构的碳前驱体升温至420℃-450℃，煅烧1h-

6h，得到中间相沥青；所述含有聚合芳环结构的碳前驱体为沥青、催化裂化油浆、减压渣油、减压蒸馏侧线组分中的一种或几种的组合；

步骤二：将所述中间相沥青在溶剂中分散，中间相沥青与溶剂的质量比为1：1-100，得到分散液；

步骤三：将所述分散液涂布在基底表面上，在惰性气氛下进行碳化，得到负载有碳量子点的基底；

步骤四：将所述负载有碳量子点的基底在溶剂中进行超声处理，得到碳量子点的分散液。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述升温的速率为5℃/min-20℃/min。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，还包括将含有聚合芳环结构的碳前驱体与掺杂剂混合的步骤，其中，所述含有聚合芳环结构的碳前驱体与掺杂剂的质量比为1：0.01-10。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂为硫酸、磷酸、噻吩、吡啶、吡咯、磷酸铵、硫脲、三聚氰胺中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤三中，所述碳化的温度为400℃-1000℃，碳化的时间为0.5h-12h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述溶剂包括戊烷、环己烷、己烷、辛烷、庚烷、苯、甲苯、二甲苯中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂包括甲苯、苯或二甲苯。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤四中，所述溶剂包括水或乙醇。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤一和步骤三中，所述惰性气氛为氩气或氮气气氛。

10.一种碳量子点，其特征在于，该碳量子点是根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的，该碳量子点的乙醇或水分散液在紫外灯下，发射380nm-500nm的可见光。

说明书

一种碳量子点及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳量子点的制备方法，属于碳量子点制备技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，碳量子点的电学性质和物理化学性质中，尤其光学性质和特定条件下的荧光激发性质吸引了越来越多的关注。

[0003] Xu等人(J.Am.Chem.Soc.,2004,126,12736-12737)2004年在分离和纯化单壁碳纳米管时意外发现一种新的荧光碳纳米材料，Sun等人(J.Am.Chem.Soc.,2006,128,7756-7757)在2006年将这种材料命名为碳量子点。

[0004] 碳量子点结构为无定型碳或者晶体碳，具有球体或准球体结构，其粒径为1-10nm。碳量子点具有低毒性、良好生物相容性、低成本和化学惰性，同时还具有优异的荧光性质，有望取代半导体量子点。碳量子点作为通用型的纳米材料具有巨大的应用潜力，有望广泛应用于化学传感、生物传感、药物输送、光催化和电催化等领域。

[0005] 碳量子点制备方法分为“自上而下”和“自下而上”两大类。其中，自上而下，是指以碳材料为原料，将碳材料破碎、解离，得到纳米尺寸的碳点；自下而上，是指采用小分子化合物为原料，通过小分子聚合、碳化得到碳点。尽管已有不同的制备方法，但已有制备方法中包括分离，纯化和功能化等复杂的工艺，导致产物收率低，产物形貌和尺寸难以精确控制，并且制备碳量子点的成本较高。因此，提供一种低成本、高质量、高收率的碳量子点制备方法十分重要。

[0006] 石油重质组分来源广、成本低，可以用于碳量子点的低成本制备。例如，Wu等(Carbon,2014,78,480-489)采用石油焦(石油的减压渣油，经焦化装置，在500℃-550℃下裂解焦化而生成的黑色固体焦炭)作为原料，通过硫酸和硝酸的混合酸氧化得到含有较多氧化官能团的碳量子点。但是，该方法在制备过程中采用了硫酸和硝酸等强氧化剂，易对环境造成污染，并且无法对强氧化过程产生的碳量子点的尺寸进行精准控制。

[0007] 因此，提供一种可以精准控制碳量子点的尺寸的制备方法成为了本领域亟待解决的问题。

发明内容

[0008] 为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以精准控制碳量子点的尺寸的制备方法。

[0009] 为了实现上述技术目的，本发明提供了一种碳量子点的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

[0010] 步骤一：在惰性气氛下，将含有聚合芳环结构的碳前驱体升温至420℃-450℃，煅烧1h-6h，得到中间相沥青；

[0011] 步骤二：将中间相沥青在溶剂中分散，中间相沥青与溶剂的质量比为1：1-100，得到分散液；

[0012] 步骤三：将分散液涂布在基底表面上，在惰性气氛下进行碳化，得到负载有碳量子点的基底；

[0013] 步骤四：将负载有碳量子点的基底在溶剂中进行超声处理，得到碳量子点的分散液。

[0014] 在上述制备方法中，优选地，在步骤一中，升温的速率为5℃/min-20℃/min。

[0015] 根据本发明的具体实施方式，在步骤一种，升温至430℃-450℃，煅烧3h-6h。

[0016] 在上述制备方法中，优选地，在步骤一中，还包括将含有聚合芳环结构的碳前驱体与掺杂剂混合的步骤，即将含有聚合芳环结构的碳前驱体与掺杂剂混合后，再进行煅烧；

[0017] 更优选地，含有聚合芳环结构的碳前驱体与掺杂剂的质量比为1：0.01-10。

[0018] 根据本发明的具体实施方式，可以先对含有聚合芳环结构的碳前驱体进行加热，使小分子可控聚合到一定尺寸。

[0019] 在上述制备方法中，优选地，在步骤一中，采用的含有聚合芳环结构的碳前驱体为沥青、催化裂化油浆、减压渣油、减压蒸馏侧线组分中的一种或几种的组合；

[0020] 更优选地，采用的沥青为石油沥青或煤沥青。

[0021] 在上述制备方法中，优选地，采用的掺杂剂为硫酸、磷酸、噻吩、吡啶、吡咯、磷酸铵、硫脲、三聚氰胺中的一种或几种的组合。

[0022] 根据本发明的具体实施方式，在步骤二中，分散的方式包括搅拌或超声。

[0023] 在上述制备方法中，优选地，在步骤三中，碳化的温度为400℃-1000℃，碳化的时间为0.5h-12h。

[0024] 在上述制备方法中，优选地，在步骤二中，采用的溶剂包括戊烷、环己烷、己烷、辛烷、庚烷、苯、甲苯、二甲苯中的一种或几种的组合；更优选地，采用的溶剂为甲苯、苯或二甲苯。

[0025] 根据本发明的具体实施方式，步骤三中，分散液涂布在基底表面上时，对涂布的厚度没有要求，按照本领域常规的方式进行涂布，涂布需要的厚度即可。

[0026] 在上述制备方法中，优选地，在步骤四中，采用的溶剂包括水或乙醇。

[0027] 根据本发明的具体实施方式，在步骤四中，将负载有碳量子点的基底在溶剂中超声时，保证溶剂可以浸没基底即可。

[0028] 在上述制备方法中，优选地，在步骤一和步骤三中，采用的惰性气氛为氩气或氮气气氛。

[0029] 本发明还提供了一种碳量子点，该碳量子点是根据上述的碳量子点的制备方法制备得到的，该碳量子点的乙醇或水分散液在紫外灯下，可以发射380nm-500nm的可见光。

[0030] 本发明的碳量子点的制备方法，通过控制中间相沥青生成过程的煅烧温度和时间，可以间接控制得到的碳量子点的尺寸。其中，煅烧的温度越高，时间越长，形成的碳质微晶尺寸越大，碳化后得到的碳量子点的尺寸越大。

[0031] 本发明的碳量子点的制备方法，采用石油重质组分为原料，利用石油重质组分在形成中间相沥青过程中产生碳质微晶，直接将碳质微晶分散在溶剂中，并进一步直接制得碳量子点。该制备方法的过程简单、无污染、生产成本低且碳量子点的尺寸易于控制，是一种可以批量生产的方法。

[0032] 本发明的碳量子点的制备方法制备得到的碳量子点具有优异的荧光性能，该碳量子点的乙醇或水分散液在紫外灯下，可以发射380nm-500nm的可见光，可应用于化学检测、生物成像、光催化和电催化等方面。

附图说明

[0033] 图1为实施例1的中间相沥青的偏光显微镜图像。

[0034] 图2为实施例1的碳量子点水溶液的紫外吸收光谱。

[0035] 图3为实施例1的碳量子点的原子力显微镜图像。

[0036] 图4为实施例1的碳量子点的TEM图像。

[0037] 图5为实施例1的碳量子点的荧光光谱。

[0038] 图6为实施例2的中间相沥青的偏光显微镜图像。

[0039] 图7为实施例2的碳量子点的原子力显微镜图像。

[0040] 图8为实施例3的中间相沥青的偏光显微镜图像。

[0041] 图9为实施例3的碳量子点的原子力显微镜图像。

[0042] 图10为实施例4的中间相沥青的偏光显微镜图像。

[0043] 图11为实施例4的碳量子点的原子力显微镜图像。

[0044] 图12为实施例5的中间相沥青的偏光显微镜图像。

[0045] 图13为实施例5的碳量子点的原子力显微镜图像。

具体实施方式

[0046] 为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

[0047] 实施例1

[0048] 本实施例提供了一种碳量子点，其是通过以下步骤制备得到的：

[0049] 取减三线油加热至90℃，倒入瓷舟至半满，放入管式炉中，以0.6L/min的速率通惰性气体Ar，设定升温速率为10℃/min，升温至430℃煅烧3h，得到中间相沥青；

[0050] 取出5mg中间相沥青，溶于5mL二甲苯中，100W功率下超声30min，稀释至1mg/L；

[0051] 将3g硅片浸渍到二甲苯中间相溶液，滤去过量溶液后，放入瓷舟中，置于管式炉中，设定升温速率为10℃/min，800℃下碳化1h；

[0052] 将硅片置于乙醇中，100W功率超声2h，取出硅片，过滤，滤液即为得到的碳量子点溶液，也可以通过旋转蒸发器得到碳量子点固体。

[0053] 图1上述中间相沥青的偏光显微镜图，可以看出，有大量中间相小球生成。

[0054] 图2本实施例的碳量子点水溶液的紫外吸收光谱，由图2可以看出紫外可见吸收谱图中，具有224nm，282nm，365nm有三个吸收峰。

[0055] 图3本实施例的碳量子点的原子力显微镜图像，由图3可以看出制备的碳量子点的高度为1.5nm左右。

[0056] 图4本实施例的碳量子点的TEM图，由图4可以看出制备的碳量子点的粒径为9nm左右。

[0057] 图5为本实施例的碳量子点的荧光光谱，其中，(a)为发射荧光光谱图，(b)为激发荧光光谱。由图5可以看出(a)图：碳量子点溶液受到370nm波长激发下，发射出最强荧光峰。发射峰可简单可分出两个峰，分别是412nm和435nm。(b)图：测发射波长为413nm，436nm时，其最大激发峰相同，都是370nm。同时该碳量子点溶液在310nm处有最强发射峰，其激发波长为282nm。

[0058] 实施例2

[0059] 本实施例提供了一种碳量子点，其是通过以下步骤制备得到的：

[0060] 取减三线油加热至90℃，倒入瓷舟至半满，放入管式炉中，以0.6L/min的速率通惰性气体Ar，设定升温速率为10℃/min，升温至440℃煅烧4h，得到中间相沥青；

[0061] 取出5mg中间相沥青，溶于5mL二甲苯中，100W功率下超声30min，稀释至1mg/L；

[0062] 将3g硅片浸渍二甲苯中间相溶液，滤去过量溶液后，放入瓷舟中，置于管式炉中，设定升温速率为10℃/min，800℃下碳化1h；

[0063] 将硅片置于乙醇中，100W功率超声2h，取出硅片，过滤，滤液即为得到的碳量子点溶液，也可以通过旋转蒸发器得到碳量子点固体。

[0064] 图6本实施例的中间相沥青的偏光显微镜图像，可发现有大量中间相生成。

[0065] 图7为本实施例的碳量子点的原子力显微镜图像，由图7可以看出制备的碳量子点的高度为2nm左右。

[0066] 实施例3

[0067] 本实施例提供了一种碳量子点，其是通过以下步骤制备得到的：

[0068] 取减三线油加热至90℃，倒入瓷舟至半满，放入管式炉中，以0.6L/min的速率通惰性气体Ar，设定升温速率为10℃/min，升温至450℃煅烧6h，得到中间相沥青；

[0069] 取出5mg的中间相沥青，溶于5mL二甲苯中，100W功率下超声30min，稀释至1mg/L；

[0070] 将3g硅片浸渍二甲苯中间相溶液，滤去过量溶液后，放入瓷舟中，置于管式炉中，设定升温速率为10℃/min，800℃下碳化1h；

[0071] 将硅片置于溶剂中，100W功率超声2h，取出硅片，过滤，滤液即为得到的碳量子点溶液，也可以通过旋转蒸发器得到碳量子点固体。

[0072] 图8为本实施例的中间相沥青的偏光显微镜图像，可发现有大量中间相生成。

[0073] 图9为本实施例的碳量子点原子力显微镜图像。

[0074] 实施例4

[0075] 本实施例提供了一种碳量子点，其是通过以下步骤制备得到的：

[0076] 取减三线油加热至90℃，加入三聚氰胺至质量比为4：1，搅拌均匀，倒入瓷舟至半满，放入管式炉中，以0.6L/min的速率通惰性气体Ar，设定升温速率为10℃/min，升温至430℃煅烧3h，得到中间相沥青；

[0077] 取出5mg中间相沥青，溶于5mL的二甲苯中，100W功率下超声30min，稀释至1mgL；

[0078] 将3g硅片浸渍二甲苯中间相溶液，滤去过量溶液后，放入瓷舟中，置于管式炉中，设定升温速率为10℃/min，800℃下碳化1h；

[0079] 将硅片置于溶剂中，100W功率超声2h，取出硅片，过滤，滤液即为得到的碳量子点溶液，也可以通过旋转蒸发器得到碳量子点固体。

[0080] 图10为本实施例的中间相沥青的偏光显微镜图像，可发现有掺杂中间相与未掺杂有较大区别，说明掺氮对中间相形成存在很大影响。

[0081] 图11为本实施例的碳量子点原子力显微镜图像，与实施例1制备的碳量子点相比，本实施例的碳量子点的尺寸明显减小。

[0082] 实施例5

[0083] 本实施例提供了一种碳量子点，其是通过以下步骤制备得到的：

[0084] 取减压渣油加热至90℃，倒入瓷舟至半满，放入管式炉中，以0.6L/min的速率通惰性气体Ar，设定升温速率为10℃/min，升温至450℃煅烧1h，得到中间相沥青；

[0085] 取出5mg的中间相沥青，溶于5mL二甲苯中，100W功率下超声30min，稀释至1mg/L；

[0086] 将3g硅片浸渍二甲苯中间相溶液，滤去过量溶液后，放入瓷舟中，置于管式炉中，设定升温速率为10℃/min，800℃下碳化1h；

[0087] 将硅片置于溶剂中，100W功率超声2h，取出硅片，过滤，滤液即为得到的碳量子点溶液，也可以通过旋转蒸发器得到碳量子点固体。

[0088] 图12为本实施例的中间相沥青的偏光显微镜图像，可发现有中间相小球生成。

[0089] 图13为本实施例的碳量子点原子力显微镜图像。可以看出碳量子点尺寸在6nm左右。

[0090] 以上实施例说明，本发明的碳量子点的制备方法的工艺简单、无污染、生产成本低且碳量子点的尺寸易于控制，是一种可以批量生产的方法。制备得到的碳量子点具有优异的荧光性能，该碳量子点的乙醇或水分散液在紫外灯下，可以发射380nm-500nm的可见光。