功能化碳納米材料的制備及其熒光性能研究.pdf

1、碳納米管、石墨烯和碳量子點(diǎn)等碳基納米材料因其特殊的結(jié)構(gòu)和小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和表面效應(yīng)等獨(dú)特性質(zhì)，成為在傳感器、納米電子器件、催化、藥物輸送和儲(chǔ)氫等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其光致發(fā)光性質(zhì)引人關(guān)注，此性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于生物傳感、化學(xué)傳感和生物成像等領(lǐng)域。研究表明功能化碳納米管和功能化石墨烯均可以表現(xiàn)出較強(qiáng)的近紅外和可見(jiàn)熒光。碳量子點(diǎn)不僅具備了半導(dǎo)體量子點(diǎn)高量子產(chǎn)率、熒光穩(wěn)定性強(qiáng)以及吸收和發(fā)射熒光的可調(diào)性等優(yōu)勢(shì)，而且碳量子點(diǎn)發(fā)光更穩(wěn)定，具有低毒性以及

2、優(yōu)異的生物相容性，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)量子點(diǎn)成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最具有應(yīng)用前景的環(huán)境友好型納米材料。對(duì)功能化碳納米管和功能化石墨烯的可見(jiàn)熒光以及碳量子點(diǎn)可調(diào)變熒光的研究不僅對(duì)相關(guān)熒光材料的制備和熒光機(jī)制的認(rèn)識(shí)具有重要意義，而且可以用于相關(guān)化學(xué)和環(huán)境傳感器的構(gòu)建。
　　本文研究了以氮摻雜碳納米管為前驅(qū)體通過(guò)氧化來(lái)制備氮摻雜石墨烯納米片的方法及其性質(zhì);通過(guò)化學(xué)修飾手段制備了具有高效可見(jiàn)熒光的的功能化碳納米管;采用實(shí)驗(yàn)手段和理論模擬結(jié)合探討了氧化

3、碳納米管和氧化石墨烯可見(jiàn)熒光的產(chǎn)生機(jī)制;并且制備了高量子產(chǎn)率的碳量子點(diǎn)，對(duì)具有低毒性和較好細(xì)胞成像性能的碳量子點(diǎn)的合成進(jìn)行了初步探索。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)采用氮摻雜碳納米管為前驅(qū)體通過(guò)化學(xué)切割法制備了系列氮摻雜石墨烯納米片，并發(fā)現(xiàn)該氮摻雜石墨烯納米片在水中具有較強(qiáng)的可見(jiàn)熒光。通過(guò)調(diào)控氮摻雜石墨烯納米片的厚度和大小對(duì)所制材料發(fā)出熒光的顏色和量子產(chǎn)率進(jìn)行控制。探索了不同氧化程度對(duì)氮摻雜碳納米管熒光的影響。該氮摻雜石墨烯納米片

4、的熒光可以用于區(qū)分主族和過(guò)渡金屬離子，用于金屬離子的傳感。
　　(2)建立了通過(guò)引入簡(jiǎn)單有機(jī)小分子提高氧化碳納米管的熒光量子產(chǎn)率的一般方法，揭示了簡(jiǎn)單化合物的引入對(duì)其熒光的增強(qiáng)機(jī)制和制備高效熒光碳納米材料的潛在規(guī)律。制備得到的功能化的多壁碳納米管在水中具有良好的分散性能，并且能夠發(fā)出強(qiáng)烈的可見(jiàn)熒光，對(duì)過(guò)渡金屬離子有靈敏的響應(yīng)和選擇性。同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)金屬離子對(duì)氨基功能化的多壁碳納米管的猝滅機(jī)理，是由于金屬離子和氨基功能化的多壁

5、碳納米管之間發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng)。
　　(3)通過(guò)柱色譜分離，將酸氧化的多壁碳納米管進(jìn)行有效分離，將得到的幾種主要組分進(jìn)行分析檢測(cè)，探討了可能的熒光機(jī)制。結(jié)果表明氧化碳納米管本身只會(huì)發(fā)出微弱的近紫外可見(jiàn)熒光，明亮熒光主要來(lái)源于混合物中的碳量子點(diǎn)成分。結(jié)合理論計(jì)算，將氧化碳納米管的熒光主要?dú)w納為氧化產(chǎn)生的結(jié)合含氧官能團(tuán)的sp3碳原子所孤立的sp2碳原子團(tuán)簇。碳納米管在氧化過(guò)程中還會(huì)轉(zhuǎn)化成大片層的氧化石墨烯。我們的研究不但揭示了氧化碳納米管

6、混合物發(fā)出明亮可見(jiàn)熒光的來(lái)源，對(duì)氧化碳納米管熒光的產(chǎn)生機(jī)理給出合理的解釋，而且對(duì)理解具有高熒光性能的氧化石墨烯的本質(zhì)具有重要的借鑒意義。
　　(4)探索了一種簡(jiǎn)單有效的合成鹵代碳量子點(diǎn)的合成方法。通過(guò)熒光信號(hào)的變化，將所合成的鹵代碳量點(diǎn)用于Fe3+選擇性識(shí)別，同時(shí)利用其對(duì)溶劑粘度的變化的響應(yīng)有望將其用于溶劑粘度的檢測(cè)。鹵代的碳量子點(diǎn)還能作為一種有效的反應(yīng)中間體，為碳量子點(diǎn)的進(jìn)一步的功能化提供了選擇。
　　(5)以三溴化磷和對(duì)