稀土掺杂碳量子点的制备及其荧光性能的研究
碳量子点是新兴的碳纳米材料，粒径通常位于1～10nm之间，具有制备成本低、绿色环保、稳定性强等优良特性，具有窄和宽的发射光谱，无光漂白光闪烁，广泛应用于成像、传感、检测等领域。目前，国内外大量文献围绕提升碳量子点的荧光性能展开研究，通过优化实验条件或掺杂其他元素等方式实现了碳量子点荧光性能的增强。稀土的掺杂同样可以提升碳量子点的荧光性能，尤其是在荧光信号强度和荧光寿命方面提升明显。离子液体是全部由离子组成的纯盐类物质，近室温下以液态形式存在，性质稳定、绿色环保，处理天然木质素的效果较为理想。本实验采用廉价易得的植物废弃物棕榈树皮和丝瓜络作为原料，创新性的结合绿色溶剂离子液体的溶解性能，采用较低的温度和简便的方法，通过一步合成法制备出性质稳定和且有较好荧光性能的碳量子点；通过合成稀土配合物，而后和碳量子点反应，快捷的一步合成出稀土掺杂碳量子点，使材料的荧光性能显著提高，并对有机污染物和金属离子成功实现检测。 本论文研究内容如下： (1)以棕榈树皮为碳源，经过机械粉碎研磨和NaOH活化处理后，以1-甲基咪唑氯盐作为溶剂，采用绿色简便的水热法，在120℃的条件下，一步合成出光学表现较好的碳量子点。该碳量子点的荧光产率为22.7％；荧光检测发现，该碳量子点最大激发波长为360nm，对应的荧光发射峰在455nm处，荧光寿命为4.91ns；高分辨透射电镜发现，碳量子点在水中分布均匀，粒径集中在1～4.5nm之间，平均粒径约2.65nm；红外光谱发现，碳量子点存在大量羧基、羟基、羰基等化学基团。 (2)采用氧化镧与柠檬酸合成柠檬酸-镧配合物，而后与预处理的棕榈树皮混合，采用水热法一步合成镧掺杂的碳量子点。镧掺杂碳量子点粒径分布在1～9nm之间，平均粒径约5.4nm。检测发现，最大激发波长位于330nm，相应的发射峰在425nm处，整体的荧光产率提升至31.4％，荧光寿命提升为6.84ns，能量传递效率为28.2％。提升较为明显。通过紫外、红外等分析发现镧掺杂碳量子点在270nm处有特征吸收峰，富含羟基、羧基、羰基等化学基团。 (3)丝瓜络经预处理后溶解于1-甲基咪唑氯盐，然后用氧化钇与柠檬酸合成柠檬酸-钇配合物，混合后使用简便的水热法，合成出光学表现更加优秀的钇掺杂的碳量子点。钇掺杂碳量子点的荧光产率提升至41％，最大激发波长在380nm处，并在460nm处有发射峰，荧光寿命延长至7.75ns，能量传递效率为36.6％。高倍透射电镜下可以观察到明显的晶格条纹，粒径分布在1～10nm内，平均粒径增长到6.6nm左右。红外光谱显示该碳量子点富含更多的羟基、羰基、羧基基团，且具备明显的紫外吸收峰。 (4)使用制备的碳量子点、镧掺杂的碳量子点，检测不同浓度的2,4-二硝基苯酚。实验数据显示，当2,4-二硝基苯酚在25～100μmol/L时，碳量子点的荧光强度与检测物浓度呈现明显线性关系R2=0.97698，I=469.41-1.5441c，检测极限为3.5μmol/L；在检测物浓度在25～100μmol/L时，镧掺杂的碳量子点荧光强度与2,4-二硝基苯酚浓度呈现明显线性关系R2=0.8925，I=830.6-2.873c，检测极限提升至1.8μmol/L。 (5)使用制备的碳量子点、钇掺杂碳量子点，特异性的检测金属离子。碳量子点对不同离子中Fe3+离子的反应最灵敏。当Fe3+离子在25～100μmol/L时，碳量子点荧光强度与浓度呈现明显线性关系R2=0.99439，I=754.5-1.23c，检测极限为4.6μmol/L；钇掺杂碳量子点对不同离子中Pb2+离子反应最灵敏，Pb2+离子浓度在25～100μmol/L时，荧光淬灭后荧光强度与浓度呈现明显的线性关系R2=0.9909，I=631.46-1.6675c，检测极限提升至3.5μmol/L。
碳量子点;离子液体;稀土掺杂;荧光性能
济南大学
硕士
化学
李慧芝
2019
中文
O657.3
2020-01-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）