氮掺杂碳量子点的制备及表面活性应用

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sd2009shandong
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碳量子点(Carbon Quantum Dots,CQDs)作为一种碳纳米材料,具有水溶性好、荧光性强、尺寸小、生物毒性低等优点,在传感器、离子检测器、电容器及光催化剂等方面受到了广泛关注。但是常规方法制备的CQDs荧光颜色单一、量子产率低、表现出单一亲水性,难以在不相溶溶液体系中进行研究,极大地限制了其应用范围。针对以上这些问题,本文提出通过氮原子掺杂来增强碳量子点的荧光性,在CQDs表面进行官能团修饰得到两亲性氮掺杂碳量子点,探讨了其表面活性和性能。并针对修饰后物质的特有结构,研究其作为助剂在水溶液中辅助液相剥离石墨烯的应用。(1)使用柠檬酸为碳源、3-二甲胺基丙胺为掺氮剂,在180℃水热条件下,制备得到了氮掺杂碳量子点(Nitrogen-doped Carbon Quantum Dots,N-CQDs),并通过红外吸收光谱(FTIR)和核磁氢谱(1H-NMR)表征的结果证明N-CQDs中含有大量的酰胺、叔胺、伯胺等含氮元素的化学官能团,证明成功进行了氮掺杂;紫外-吸收可见光谱(UV-vis)和荧光光谱(PL)测试表明N-CQDs具有良好的光学性质,且具有蓝色的荧光;透射电子显微镜(TEM)结果表明N-CQDs形态呈球状且在水溶液中分散性良好,尺寸在2~7nm范围内,具备量子点的小尺寸特性。(2)通过对N-CQDs进行表面官能团改性,合成了具有两亲性的物质R-(N-CQDs)和R-(N-CQDs)-L。对其进行结构表征和表面活性测试,结果表明,R-(N-CQDs)-L具有更长的疏水碳长链结构和更强的表面活性。具体地讲,R-(N-CQDs)-L水溶液在临界胶束浓度(1.0g/L)下的表面张力值为24.33m N/m,乳化后两相分层时间t(VH2O=5.0m L)=510s,起泡5min后泡沫体积仍能达最初的95%,并且通过与十二烷基硫酸钠(SDS)复配后,体系协同作用更加显著,为CQDs的应用提供了新的途径。(3)基于R-(N-CQDs)-L的特殊结构和在表面活性方面的优异性能,将其作为分散助剂在超声波辅助下进行了液相剥离石墨制备石墨烯的研究,进一步扩展了两亲性N-CQDs的应用范围。研究了分散剂用量、超声剥离时间及石墨初始浓度对石墨烯分散液浓度的影响,对石墨烯的形貌与结构进行了表征,并分析了R-(N-CQDs)-L液相剥离石墨烯的机理。结果表明,在转速为4000r/min离心30min的条件下,当R-(N-CQDs)-L浓度为0.5g/L,超声时间为3h,石墨初始原料为8mg/m L时,石墨烯分散液的浓度可达到0.924mg/m L,并且具有良好的稳定性。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)来分析石墨烯的形貌,结果表明石墨烯表面平整光滑,尺寸主要在几百纳米至2μm范围内,厚度低于2nm,大部分属于双层及少层石墨烯。拉曼光谱(Raman)、X射线粉末衍射(XRD)和FTIR结果表明,相比于原料石墨,石墨烯表面没有进行多余的氧化,缺陷较少,结构较为完整。
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