高效熒光碳點合成及其功能復(fù)合材料研究.pdf

1、碳點是2004年被首次發(fā)現(xiàn)的一種新型熒光碳納米材料，具有價廉、低毒、生物相容性好以及優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)等特點，近年來引起了研究者們的廣泛關(guān)注。目前合成的碳點的熒光量子產(chǎn)率大多較低，且相關(guān)研究多關(guān)注其液態(tài)光學(xué)性質(zhì)，因此探索簡單高效的碳點制備方法及其固態(tài)光學(xué)性質(zhì)的研究是當(dāng)前的一個重點。此外，碳點具有良好的光致電荷轉(zhuǎn)移特性，可用于光電敏化半導(dǎo)體材料和復(fù)合光催化劑設(shè)計，在能源和環(huán)境領(lǐng)域有著廣闊的前景。但是目前，相關(guān)研究還處于初步階段。因此，高效熒光

2、碳點的合成及其功能復(fù)合材料的研究具有重要的意義。
　　本論文中，我們從碳點制備及其復(fù)合材料兩個角度出發(fā)，提出了一步水熱法制備高效熒光水溶性碳點的合成方法;研究了其固態(tài)發(fā)光性質(zhì)，初步探討了碳點對半導(dǎo)體材料二氧化鈦的光電增強作用;設(shè)計和制備了新型寬光譜碳點/溴氧化鉍復(fù)合光催化劑，探討了光催化增強機理。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.提出了簡單高效的一步水熱法制備高質(zhì)量的水溶性碳點。以檸檬酸為碳源，硅烷偶聯(lián)劑KH792為表面包覆

3、劑，合成了硅烷功能化的熒光碳點。研究了碳點的形成過程，通過水解、聚合、碳化和包覆，碳點的制備和修飾同時進行，一步得到了高熒光量子產(chǎn)率的發(fā)光碳點。制備得到的碳點尺寸5nm左右，表面具有豐富的含氧功能基團，水溶性好，具有優(yōu)異的熒光性能，熒光量子產(chǎn)率高達82％。研究了反應(yīng)溶劑、碳源/硅烷比例、反應(yīng)時間和溫度對碳點光學(xué)性質(zhì)的影響，通過優(yōu)化反應(yīng)條件發(fā)現(xiàn)，適量的硅烷可以對碳點起到有效地表面鈍化和穩(wěn)定作用。研究了激發(fā)波長、溶液濃度、pH值、分散溶劑以

4、及金屬離子對碳點發(fā)光的影響，制備得到的碳點具有很好的多溶劑溶解性，并且在水中任意可溶，在水、甲醇和乙醇中都能保持高效的發(fā)光和穩(wěn)定性;在pH值5-10的范圍內(nèi)其熒光保持相對穩(wěn)定，有利于碳點的生物應(yīng)用;對大部分金屬離子不敏感，Hg2+和Fe3+離子對碳點具有熒光淬滅作用;考察了碳點的時間穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)常溫下保存三個月仍然穩(wěn)定存在，熒光強度未出現(xiàn)明顯下降。
　　2.利用碳點表面豐富的功能基團，開展了碳點固態(tài)發(fā)光及敏化增強二氧化鈦復(fù)合材料光

5、電性能研究。開發(fā)了碳點/凝膠玻璃透明塊體材料，通過共價鍵連接，保持了碳點自身結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了均勻分散和高濃度摻雜，抑制了碳點的熒光淬滅，在固態(tài)下保持了熒光特性，表現(xiàn)出優(yōu)異的紫外/紅外屏蔽效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)碳點原液自聚塊體具有良好的紫外、部分可見及紅外光吸收，因此，基于碳點的自聚成膜、優(yōu)良的光吸收和光致電荷轉(zhuǎn)移特性，將碳點作為非金屬綠色光敏化劑應(yīng)用到敏化二氧化鈦納米棒光陽極。通過旋涂-加熱過程，碳點水解縮聚，二者形成緊密的結(jié)合，對體系進行了形貌和光電

6、性質(zhì)研究，復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更高的光電流，初步探討了碳點在光電性能增強方面的作用機理，首先碳點拓寬了復(fù)合體系的光響應(yīng)范圍，提高了太陽光的利用率;其次，由于碳點良好的光致電荷轉(zhuǎn)移特性和電子儲備能力，有效地抑制了光生電子-空穴對的復(fù)合，延長了載流子壽命。
　　3.設(shè)計和構(gòu)建了新型碳點/溴氧化鉍納米復(fù)合材料光催化劑，研究了其紫外和可見光光催化性能，探討了其光催化增強機理?；谔键c和溴氧化鉍相反的電負性，通過簡單的靜電吸附和后續(xù)熱處理實現(xiàn)二者

7、的穩(wěn)定結(jié)合。通過結(jié)構(gòu)和形貌測試表征，證明碳點負載到了溴氧化鉍片層上，形成了緊密的結(jié)合，并存在一定的相互作用。以羅丹明B為目標(biāo)降解污染物進行了光催化實驗，結(jié)果表明相對于單一的溴氧化鉍，負載碳點之后復(fù)合材料的紫外和可見光光催化性能都得到了提升。研究了碳點負載量對光催化活性的影響，確定了最優(yōu)負載量，并具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，我們探討了碳點增強溴氧化鉍光催化效率的機理，適量的碳點可以有效地拓展光響應(yīng)范圍，增加光吸收，提高太陽光的利用率;快速