[發明專利]一種氮摻雜碳基量子點的制備方法

有效

• 申請號: 201510522090.5
• 申請日: 2015-08-24
• 公開（公告）號: CN105176528B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 劉煥明;黃家偉;王群;王聰;唐昶宇;趙云;梅軍
• 申請（專利權）人: 中物院成都科學技術發展中心
• 主分類號: C09K11/65
• 分類號: C09K11/65
• 代理公司: 四川力久律師事務所51221
• 代理人: 王蕓,劉雪蓮

技術領域

本發明屬于納米材料科學領域，具體涉及為利用微波輔助法一步合成氮摻雜碳基納米粒子的方法。

背景技術

近年來，由碳元素組成的碳納米材料不斷被發現，它的低毒甚至無毒性使之成為21世紀科技創新的熱點材料。碳基納米粒子(碳基量子點)作為新型碳納米材料于2004年被Sun發現，它不僅有著半導體量子點優異的發光性能：具有寬而連續的激發光譜，可以實現一元激發、多元發射的特性；發射波長跨度大，從可見光區一直延續到近紅外光區；熒光穩定性高，生物相容性好。且和半導體量子點相比，碳基量子點分子量更小，在生物成像、光催化、離子檢測、光伏器件等領域有著長遠的應用前景。

前期研究發現，純的碳基量子點的發光效率和催化效果較低，但通過摻雜其他元素及表面修飾后，量子點的發光效率和催化效果得到較大提高。首先，在對純的碳基量子點進行元素摻雜時，考慮到氮元素與碳元素相鄰，因此對其進行氮元素摻雜是一種可行有效的方法。Pin-Che Hsu等用甘氨酸、乙二胺四乙酸和尸胺分別作為碳源，在高溫高壓反應釜中反應12h，獲得水溶性的、發光效率為30.6％的氮摻雜碳基量子點，大大提高了碳基量子點的發光效率。在表面修飾方面，我們利用樹枝狀結構偶氮苯大分子對以尿素為氮源制備的氮摻雜碳基量子點進行表面修飾，結果表明修飾之后的碳基量子點的熒光發光效率得到進一步改善，熒光發光效率提升高達74％。另外，RuiMi等將氮摻雜的碳基納米材料直接生長在泡沫鎳上，并用于Li-O₂電池的陰極中，結果表明發現氮摻雜的碳基納米材料用于電池結構中后，其電池充放電性能得到進一步改善，說明氮摻雜碳基納米材料在電催化等領域具有重要作用。

李曉峰等人(氮摻雜碳量子點的合成、表征及其在細胞成像中的應用，《材料科學與工程學報》2015年01期)以葡萄糖和甘氨酸為混合碳源，在較低溫度下經水熱法一步合成了氮摻雜的熒光碳量子點(N-CQDs)。研究表明對碳量子點進行氮摻雜能有效提高其熒光量子產率，其熒光增強是由于表面形成了大量強供電子基團。氮摻雜碳量子點還具有水溶性好、粒度均勻、優異的光致發光性質、低的細胞毒性、多波長成像等諸多優點，有望作為熒光探針應用于細胞成像等領域。

專利申請號為201410572099.2的專利將十八胺加入到十八烯中，利用與檸檬酸反應一步得到發光可調的摻氮碳量子點，此種方法制備的氮摻雜碳基量子點可溶于甲苯、氯仿等有機溶劑，對開發新型有機納米材料具有重要意義。

專利201410422770.5提出一種基于有機小分子微波固相反應合成碳基量子點的方法，具體為在不借助液體介質的情況下，將糖類、檸檬酸類或者氨基酸類有機小分子與吸波材料混合，經過微波碳化及經過硅膠色譜柱層析得到碳基量子點，此種方法雖然反應時間短，但后續利用硅膠色譜柱進行提純在一定程度上增加了整體制備時間，且制備過程中需要加入硅膠等物質作為吸波材料，這對碳基量子點的純度也有一定影響。

隨著研究的進一步深入，如何利用簡單的設備及工藝流程獲得性質穩定、熒光發光效率高、催化效果好的碳基量子點是目前急需解決的問題。一方面，比較碳基量子點的制備方法，發現利用微波輔助法不僅設備要求簡單、反應時間短，而且廢液排放較少有利于環境保護，因此，微波輔助反應法是一種有效的制備方法，但在此基礎上需要解決外加吸波材料對合成碳基量子點純度的影響問題。另一方面，一步完成對碳基量子點的氮元素摻雜不僅可以簡化碳基量子點的合成步驟，同時可獲得高發光效率的碳基量子點。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中所存在的碳基量子點熒光發光效率和催化效果較低等缺點，提供一種制備氮摻雜碳基量子點的方法。本發明的另一目的是通過調控氮摻雜及表面修飾達到改善其光學化學性能。相對于氮摻雜碳基量子點合成較為復雜、繁瑣的現狀，本發明方法通過固相微波反應一步制備得到氮摻雜碳基量子點，不僅避免了加入的吸波材料對其純度的影響，而且結合簡單有效的提純方式就可以獲得高純度的氮摻雜碳基量子點。

為了實現上述發明的目的，本發明提供了以下技術方案：

一種制備氮摻雜碳基量子點的方法，將碳源與氮源混合，直接進行微波碳化反應，制備得到氮摻雜碳基量子點。本發明方法并不需要添加其他輔助的吸波材料，大大降低了其它雜質的干擾影響。

在本發明的氮摻雜碳基量子點的制備方法中，對于碳基量子點的合成過程中反應底料的要求較低，可以使用廉價的碳源與氮源，大大降低了合成碳基量子點的成本。最重要的是本發明的合成方法簡單易行，收率高，所得碳基量子點熒光發光效率好。