本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳量子點的制備方法。

背景技術(shù)：

碳量子點作為一種新型的熒光碳納米材料，表面由sp2雜化的碳原子組成，而內(nèi)部則由sp3結(jié)構(gòu)的碳原子組成。實驗中得到的碳量子點的表面存在大量的羥基、羧基等官能團，這些官能團的存在使得碳量子點中碳元素的含量相對較低，而氧元素的含量相對較高。與傳統(tǒng)的半導體量子點(如CdSe、CdTe、CdS、GaAs和InAs等)相比，碳量子點無毒環(huán)保、水溶性好、制備成本低、物理和化學穩(wěn)定性好，且易于對其表面化學修飾，更為重要的是，碳量子點具有獨特的激發(fā)波長依賴性熒光，即碳量子點發(fā)射熒光的波長隨著激發(fā)波長的變化而變化，因此可以根據(jù)需要選擇合適的激發(fā)波長，這對于排除其他熒光物質(zhì)的干擾至關(guān)重要。

基于此，近年來發(fā)展了多種碳量子點的制備方法，大體上可以分為兩大類：自上而下的方法和自下而上的方法。自上而下的方法，通常是將碳點從較大碳結(jié)構(gòu)物質(zhì)上刻蝕下來的，包括電弧放電法，激光消融法和電化學氧化法等；自下而上的方法，由分子前驅(qū)體合成碳點，包括濕法氧化法、高溫熱解法、水熱法、微波輔助合成法、超聲合成法以及載體合成法等。

水熱法由于操作簡單，效率高，應用最為廣泛。目前水熱法制備碳量子點的含碳前驅(qū)體有葡萄糖、檸檬酸、氨基酸、核酸、抗敗血酸等，這些試劑成本高，不適于廣泛應用；也有使用有機物主要包括種子、香蕉、西瓜片等為含碳前驅(qū)體，但是得到的碳量子點雜質(zhì)多、碳量子點產(chǎn)率不高，也不適用于廣泛應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種碳量子點的制備方法，該方法采用來源廣泛且經(jīng)濟環(huán)保的材料作為含碳前驅(qū)體，采用水熱法制備，經(jīng)過過濾、離心、透析等步驟，得到的碳量子點產(chǎn)率高、結(jié)構(gòu)均勻、分散性好。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將含碳前驅(qū)體置于超聲波清洗機中清洗，然后在40-50℃下熱風烘干，得干燥物；

水熱反應：將干燥物置于高壓反應釜，加入2.3-2.5mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在210-220℃下水熱反應3-3.5h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500-15000r/min的速度下離心固液分離，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點；

所述含碳前驅(qū)體為廢紙、碎布或廢棉。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述清洗分兩次進行，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為5-10min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為20-25min。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述干燥物的含水率為3-5%。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述干燥物與NaOH溶液的質(zhì)量體積比（g/mL）為1-1.2﹕45-50。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述離心的時間為15-20min。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述透析的時間為7-8d。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明采用日常生活中常見的廢紙、碎布或廢棉作為含碳前驅(qū)體制備碳量子點，具有原料來源廣泛，經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點，能夠降低生產(chǎn)成本，減少廢紙、碎布和廢棉對環(huán)境的污染，提高廢紙、碎布和廢棉的利用率，提高廢紙、碎布和廢棉的利用價值。

2、本發(fā)明的含碳前驅(qū)體分別在乙醇和去離子水中進行清洗，能夠有效去除含碳前驅(qū)體表面油脂及灰塵雜質(zhì)，使制備得到的碳量子點純度高，雜質(zhì)少。

3、本發(fā)明碳量子點的制備方法工藝簡單，操作方便，成本低，用時短，易于推廣應用。

4、本發(fā)明制得的碳量子點的粒徑為3-5nm，為均勻分布的球狀顆粒，碳量子點表面沒有經(jīng)過鈍化或修飾，碳量子點沒有毒性，具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、生物相容性和光學性能，可以用于生物學領(lǐng)域的研究應用。

5、本發(fā)明得到的碳量子點產(chǎn)率達29%以上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制備得到的碳量子點的透射電鏡圖，右上角為高分辨投射電鏡圖，晶格間距約為0.32 nm；

圖2為本發(fā)明實施例1、5制備得到的碳量子點的激發(fā)譜，對應的發(fā)生波長為440nm；

圖3為本發(fā)明實施例1制備得到的碳量子點在不同激發(fā)波長激發(fā)下得到的熒光光譜圖，隨著發(fā)射波長的增大對應的激發(fā)波長分別為320nm，340nm，360nm，380nm，400nm，420nm，440nm，460nm，480nm，500nm，520nm，540nm，560nm；

圖4為本發(fā)明實施例5制備得到的碳量子點在不同激發(fā)波長激發(fā)下得到的熒光光譜圖，隨著發(fā)射波長的增大對應的激發(fā)波長分別為320nm，340nm，360nm，380nm，400nm，420nm，440nm，460nm，480nm，500nm，520nm，540nm，560nm；

圖5為本發(fā)明實施例9制備得到的碳量子點在不同激發(fā)波長激發(fā)下得到的熒光光譜圖，隨著發(fā)射波長的增大對應的激發(fā)波長分別為320nm，340nm，360nm，380nm，400nm，420nm，440nm，460nm，480nm，500nm，520nm，540nm，560nm。

具體實施方式

實施例1

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將廢紙置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為5min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為20min，然后在40℃下熱風烘干，得含水率為3%的干燥物；

水熱反應：將1g干燥物置于高壓反應釜，加入45mL 2.3mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在210℃下水熱反應3h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離15min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析7d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

圖1為本實施例得到的碳量子點的透射電鏡圖，由圖可見碳量子點結(jié)構(gòu)均勻，分散性好，粒徑在5nm左右。

實施例2

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將廢紙置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為10min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為25min，然后在50℃下熱風烘干，得含水率為5%的干燥物；

水熱反應：將1.2g干燥物置于高壓反應釜，加入50mL 2.5mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在220℃下水熱反應3.5h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在15000r/min的速度下離心固液分離20min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析8d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例3

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將廢紙置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為8min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為23min，然后在45℃下熱風烘干，得含水率為4%的干燥物；

水熱反應：將1.1g干燥物置于高壓反應釜，加入48mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在215℃下水熱反應3.25h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離18min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析8d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例4

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將廢紙置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為7min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為22min，然后在48℃下熱風烘干，得含水率為5%的干燥物；

水熱反應：將1g干燥物置于高壓反應釜，加入47mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在215℃下水熱反應3.5h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離15min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析7d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例5

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將碎布置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為5min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為20min，然后在40℃下熱風烘干，得含水率為3%的干燥物；

水熱反應：將1g干燥物置于高壓反應釜，加入45mL 2.3mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在210℃下水熱反應3h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離15min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析7d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

本實施例得到的碳量子點的透射電鏡圖與圖1相似，碳量子點結(jié)構(gòu)均勻，分散性好，粒徑在4nm左右。

實施例6

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將碎布置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為10min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為25min，然后在50℃下熱風烘干，得含水率為5%的干燥物；

水熱反應：將1.2g干燥物置于高壓反應釜，加入50mL 2.5mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在220℃下水熱反應3.5h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在15000r/min的速度下離心固液分離20min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析8d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例7

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將碎布置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為8min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為23min，然后在45℃下熱風烘干，得含水率為4%的干燥物；

水熱反應：將1.1g干燥物置于高壓反應釜，加入48mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在215℃下水熱反應3.25h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離18min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析8d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例8

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將碎布置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為7min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為23min，然后在47℃下熱風烘干，得含水率為5%的干燥物；

水熱反應：將1.2g干燥物置于高壓反應釜，加入46mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在215℃下水熱反應3.5h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離15min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析8d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例9

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將廢棉置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為5min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為20min，然后在40℃下熱風烘干，得含水率為3%的干燥物；

水熱反應：將1g干燥物置于高壓反應釜，加入45mL 2.3mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在210℃下水熱反應3h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離15min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析7d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

本實施例得到的碳量子點的透射電鏡圖與圖1相似，碳量子點結(jié)構(gòu)均勻，分散性好，粒徑在4nm左右。

實施例10

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將廢棉置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為10min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為25min，然后在50℃下熱風烘干，得含水率為5%的干燥物；

水熱反應：將1.2g干燥物置于高壓反應釜，加入50mL 2.5mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在220℃下水熱反應3.5h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在15000r/min的速度下離心固液分離20min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析8d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例11

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將棉紡下腳料置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為8min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為23min，然后在45℃下熱風烘干，得含水率為4%的干燥物；

水熱反應：將1.1g干燥物置于高壓反應釜，加入48mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在215℃下水熱反應3.25h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離18min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析8d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

實施例12

一種碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

原料的預處理：將舊棉胎置于超聲波清洗機中清洗，第一次清洗的溶劑為乙醇，清洗時間為9min，第二次清洗的溶劑為去離子水，清洗時間為24min，然后在48℃下熱風烘干，得含水率為5%的干燥物；

水熱反應：將1.2g干燥物置于高壓反應釜，加入46mL 2.4mol/L的NaOH溶液，密閉，然后將高壓反應釜置于烘箱中，在215℃下水熱反應3.5h；

過濾：待高壓反應釜冷卻后取出，將高壓反應釜內(nèi)的混合液用雙層濾紙過濾，得濾液；

離心：將濾液在14500r/min的速度下離心固液分離17min，過濾，得上清液；

透析：將上清液裝入1000D透析袋中透析7d；

干燥：將透析袋內(nèi)的透析液放入冷凍干燥箱中冷凍干燥，即得固體碳量子點。

本發(fā)明以硫酸奎寧為參比物質(zhì)，測定實施例1-12制得的碳量子點產(chǎn)率，碳量子點產(chǎn)率如表1所示。

表1：碳量子點產(chǎn)率

由上述可知，本發(fā)明制備得到的碳量子點產(chǎn)率達29%以上。