论文总字数：24403字

摘 要

本论文采用一种新型的微波微流体合成方法，以邻苯二胺（OPD）和柠檬酸（CA）为原料快速高效地制备具有高荧光性能的蓝光碳量子点。考察了不同的原料摩尔比（OPD:CA为1:1、1:2、1:4、1:8和1:16）以及液体流率（10、20和30 mL/h）对碳量子点荧光性能的影响。对碳量子点的荧光性能进行研究，发现当OPD:CA = 1:4，流体流率为10 mL/h时，碳量子点的荧光强度最强，其量子产率为98%，荧光寿命为9.36 ns，最佳荧光发射峰位于465 nm，半峰宽为67 nm。此外，比较了微波微流体法与水热法合成碳量子点的荧光性能，证实了本实验所采用的微波微流体合成方法的优异性。最后，将所合成的碳量子点溶于PVP的乙醇溶液中进行静电纺丝，得到了具有蓝色荧光性质的荧光纤维膜，基于荧光纤维膜的柔性和荧光性能，开发了具有明亮蓝光的LED灯。聚合物荧光纤维膜具有优良的光学稳定性和良好的柔韧性，在柔性光电领域有广阔的应用前景。

关键词：微波微流体法 碳量子点 荧光 静电纺丝 LED

Preparation of fluorescent carbon quantum dots toward LEDs

Abstract

In this thesis, a novel microwave-assisted microfluidic synthesis method is developed to prepare carbon dots with blue fluorescence. The raw materials are o-phenylenediamine (OPD) and citric acid (CA). The effects of different molar ratio of raw materials OPD: CA (1:1, 1:2, 1:4, 1:8 and 1:16) and liquid flow rate (10, 20 and 30 mL/h) on the fluorescence of carbon dots are investigated, respectively. When OPD: CA = 1:4 and the fluid flow rate is 10 mL/h, the fluorescence intensity of carbon dots is the strongest; the photoluminescence quantum yield is 98%, the lifetime is 9.36 ns, the best emission peak is located at 465 nm, and the full width at half maximum (FWHM) is 67 nm. Taking hydrothermal method as a comparison, it is found that the fluorescence performance of carbon quantum dots prepared by hydrothermal method is not as good as that of microwave microfluidic method. In addition, carbon dots are incorporated into polyvinyl pyrrolidone (PVP) to obtain a fluorescent fiber film with blue fluorescence via electrospinning. By attaching the fluorescent fiber film to an ultraviolet chip, a blue LED lamp is constructed. The results show that the fluorescent fiber film embedded with carbon dots has potential in the application of optoelectronic devices.

Keywords: Microwave-assisted microfluidics; Carbon dots; Fluorescence; Electrospinning; LED

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 引言 3

1.2 碳量子点的分类 4

1.3 碳量子点的制备 5

1.3.1 激光烧蚀法 5

1.3.2 电弧放电法 6

1.3.3 电化学氧化法 6

1.3.4 等离子处理法 7

1.3.5 微波辅助法 8

1.3.6 磁热法 8

1.4 碳量子点的性质 9

1.4.1 紫外-可见吸收性质 9

1.4.2 光致发光性质 10

1.4.3 电致发光性质 12

1.4.4 上转换荧光性质 12

1.4.5 生物相容性和细胞毒性 13

1.5 碳量子点的应用 14

1.5.1 光电领域 14

1.5.2 光催化 14

1.5.3 化学检测 15

1.6 本学位论文的研究目的和内容 16

1.6.1 研究目的 16

1.6.2 研究内容 16

第二章 实验部分 17

2.1 实验原料 17

2.2 仪器与设备 17

2.3 微波微流体法合成碳量子点 18

2.4 水热法合成碳量子点 19

2.5 荧光纤维膜及LED的制备 19

2.6 表征方法 19

第三章 结果与讨论 21

3.1 不同原料摩尔比对碳量子点荧光光谱的影响 21

3.2 不同流体流率对碳量子点荧光光谱的影响 24

3.3 水热法与微波微流体法的荧光光谱对比 25

3.4 碳量子点的紫外-可见吸收光谱 26

3.5 碳量子点的红外光谱 27

3.6 碳量子点用于荧光纳米纤维膜的制备 27

3.7 荧光纳米膜用于LED的制备 28

第四章 结论 30

参考文献 31

致谢 33

绪论

引言

为了将经济和环境成本降至最低，全球的能源和环境问题推动了新材料和新技术的发展。纳米材料的快速发展不仅给许多学科和工程领域带来了诸多好处，而且还带来了一些新的技术问题。在这些问题中，纳米材料的合成通常需要消耗大量能量和使用有毒化学试剂，这不仅大大增加了生产成本，而且不符合可持续发展的原则。因此，有必要利用环保可再生的原材料来解决纳米材料绿色可持续生产所面临的挑战。

零维纳米材料（包括贵金属纳米团簇，半导体量子点，有机金属卤化物和碳量子点）在金属检测、生物成像、能量存储、药物传递、光电器件和催化等领域中具有潜在应用而备受关注。作为一种新型的荧光碳纳米材料，与传统的发光纳米粒子相比，碳量子点具有许多的优越性，如优异的光学性能、超强的水溶性、低细胞毒性、易于官能化和抗光漂白性^[1]。因此，碳量子点有望比传统的发光纳米粒子具有更优异的性能。快速高效的制备性能优异的荧光碳量子点，进一步提高其荧光特性以及拓宽其在实际中的应用范围，对于荧光碳量子点的研究和发展以及相关纳米材料领域的进步具有非常重要的意义。

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