论文总字数：21781字

摘 要

本文分别以廉价易得的鸡蛋、红薯、尿素为原料，采用水热合成法制备了一系列碳量子点。我们首先根据文献，以180℃的反应温度，反应时间为8小时、24小时，合成出了能在紫外灯下发出蓝色荧光的碳量子点。然后以节能减耗为出发点，降低反应温度为160℃，反应时间分别为5小时、6小时、7小时、8小时、9小时、10小时、12小时、24小时，合成了一系列碳量子点材料，研究了样品的形貌，并重点考察了不同反应时间下合成的碳量子点的荧光性能等。

关键词： 水热合成法 碳量子点 发光性能

Synthesis of carbon quantum dots and study of their luminescence properties

Abstract

In this paper, a series of carbon quantum dots were prepared by hydrothermal synthesis method with cheap and easily available raw materials，Like sweet potatoes, eggs and urea. First, the carbon quantum dots can be synthesized under the reaction time of 8 hours and 24 hours at the temperature of 180 degrees centigrade in the literature. The synthesized carbon quantum dots can emit blue fluorescence under ultraviolet lamp. Then reduce the temperature of this synthesis reaction, the carbon quantum dots can be synthesized under the reaction time of 5 hours, 6 hours, 7 hours, 8 hours, 9 hours, 10 hours, 12 hours, 24 hours and 50 hours at the temperature of 160 degrees centigrade. Respectively，the morphology of the samples was studied and the fluorescence properties of the carbon quantum dots synthesized at different reaction time were investigated.

Key words: Hydrothermal synthesis; carbon quantum dots; luminescent properties

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 综述 1

1.1 碳量子点的定义 1

1.2碳量子点的性质 1

1.2.1碳量子点紫外可吸收性质 1

1.2.2碳量子点的光致发光性质 2

1.2.3碳量子点的上转换发光性质 3

1.2.4碳量子点的稳定性 3

1.3碳点的合成方法 3

1.3.1电弧放电法 4

1.3.2激光销蚀法 5

1.3.3电化学法 5

1.3.4化学氧化法 6

1.3.5燃烧法 6

1.3.6 水热合成法 6

1.3.7 微波合成法 7

1.3.8 模板法 7

1.4 碳量子点的应用 8

1.4.1生物成像和细胞标记 8

1.4.2化学传感与分析 9

1.4.3光催化 9

1.4.4电催化 10

1.4.5 生物传感器 10

1.4.6生物成像 11

1.5 碳量子点的发展 11

第二章 碳量子点的合成及表征 13

2.1实验方法 13

2.2实验原料与仪器 13

2.3实验步骤 14

2.3.1样品合成 14

2.4碳量子点的表征 14

2.4.1 样品形貌 15

2.4.2 XRD图谱分析 16

第三章 样品发光性能的研究 18

3.1样品上清液荧光光谱分析 18

3.2紫外灯下样品的发光现象 24

第四章 总结与展望 25

参考文献 26

致谢 30

第一章 综述

1.1 碳量子点的定义（Carbon Quantum Dots，CQDs）

碳量子点（CQDs）是以碳元素为主体的，由分散的无定型的粒径为3.2±1.1 nm^[1]的类球状碳颗粒组成的，并且与Ｈ，O，Ｎ，Ｐ等元素组合而成的一种新颖的碳基零维材料，由于其独特的发光性质，所以碳点又被称为荧光碳点。它的颗粒粒径范围是从几纳米到数十个纳米，通常来说是小于10 nm的^[2]。图1-1是碳量子点结构图。

图1-1 碳量子点结构

图1-2所示是文献^[3]中报道的碳量子点的TEM图，可清楚看出碳量子点的形貌。从TEM图可以看出，碳量子点的粒径约为3nm左右，但是由于碳量子点太小，衬度较低，拍摄难度较高，所以碳量子点的TEM照片较模糊。

(a) (b) (c)

图1-2 a-c 葡萄糖碳量子点的TEM图[文献]

1.2碳量子点的性质

1.2.1碳量子点紫外可吸收性质

决定碳量子点性质多样性的因素是其本身的构成和组成的元素。碳量子点有一个比较显著的特点是在紫外光的范围中有一个明显较强的吸收峰，同时在可见光的范围中也有长的拖尾，并且在260～320 nm的范围中集中了大多数的吸收峰带，碳量子点的激发波长的范围也比较广并且不间断，同时在荧光光谱图中可以发现有明显的吸收肩，推测这可能是因为碳量子点中C=C键中的π跃迁到π*又或者是酯基中的C=O键的n跃迁到π*的缘故^[4]。图1-3是碳量子点的紫外吸收光谱以及PL光谱。

图1-3 碳量子点的紫外吸收谱和PL 光谱

1.2.2碳量子点的光致发光性质

碳量子点还存在一些其他显著的性质，这也是最先为什么要研究碳量子点以及制备碳量子点的最主要的原因，这个优点就是光致发光性质，浅显的说，就是分散在水溶液中的碳量子点在紫外灯光的照射下，碳量子点本身就能够发射出通亮的荧光，同时，这种发光现象的稳定性也比较好。研究学者们认为之所以碳量子点具有这种光致发光的性质可能是因为碳量子点的表面存在有一些空洞，而这些空洞可以贮藏能量^[5]。近来的一些研究评释了，碳量子点的发射波长的范围与激发波长具有必然的关系，这也是俗话所说的碳量子点的依赖性，这可能是因为碳量子点在不同的粒子尺寸下有光学的选择性也有可能是碳量子点上存在的发射阱有差异造成的，当然也可能是因为其他还没有发现的原因造成的^[6]。也有许多科学家认为这种依赖性质与碳量子点的表面有发射陷阱无关而是与碳量子点的尺寸有关^[7]。Lee等发现碳量子点的发光机能与粒子自身的尺寸有关，粒径较小的能够发射紫外光，粒子直径相比而言稍微大点的能够发射可见光，而粒径比较大的可以发射近红外光^[8]。图1-4表现的是碳量子点的光致发光性质。

图1-4 碳点的上转化荧光光谱

1.2.3碳量子点的上转换发光性质

碳量子点除有上述所说的两个性质之外，上转换发光性能也是碳量子点另外一个特别的性能。一般来说，普通的物质在高能量的光下被激发后，发出的光的能量一般来说都比较低，通俗来说，就是某种物质在波长短但是频率高的某种光下被激发后其自身发出的光具有波长长但是频率低的特点。但是之后经过一系列的探索和实践，人们发现某些材料可以起到与上面所描述的规律相反的作用，这就是所谓的上转化发光的定义。但是目前来说对于碳量子点为什么会有上转换荧光性质的原因还没有被完全发现，只是有的科学家以为这是由于碳量子点能够在同一时间内吸收多个光子，在波长比激发波长短的波长处，这些吸附在碳量子点上的光子能够吸收光，从而使其能够出现上转换荧光的现象。碳量子点的上转化发光性质在进行细胞成像，高效催化剂的设想以及能源利用等部分都有良好的使用远景^[9]。

1.2.4碳量子点的稳定性

碳量子点还具有一定的稳定性，本论文制备的碳点在相隔两个月之后，在手持紫外检测灯365nm长波的照射下依旧可以发出蓝色的光。

1.3碳点的合成方法

由于目前我国的技术水平发展的限制，我国碳点的合成与利用还处在初级的进程中^[10]，没有进行修缮的碳点的发光性能很弱，并且生成的碳点的产率也比较低，没有达到目前所需要的水准^[11]，所以也就不能将碳点在细胞的荧光标记和生物成像以及生物标记中直接使用。所以未来碳量子点的合成还需要向着更加环保经济以及提高产率和发光性能的方向发展^[12]。所以，探寻如何能够更加有效的提高发光碳点的产率的方法就显得尤为重要。

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