多才多艺的明星碳材料——碳量子点

Versatile Carbon Material—Carbon Quantum Dots

学 校： 徐州市第一中学

班 级：  高二（21）班  

组 长：  王蕴贤  

组 员：  王蕴贤  

指导老师： 胡佳晶    

徐州市第一中学

二零二四年一月

多才多艺的明星碳材料——碳量子点

Versatile Carbon Material—Carbon Quantum Dots

1.课题背景

1.1研究背景及意义

碳量子点作为一种新型的准零维碳基纳米材料，由于具有良好的物理化学性质、出色的光学特性、制备简便、成本低、高生物相容性、低毒性和可调的表面化学[2]等优良的特性，在生物成像、生物医学、传感器和安全防伪等领域有潜在的应用价值。从基础研究和应用的角度来看，发光性是碳量子点最吸引人的特性之一，是研究的重点，在不同领域（特别是生物成像和传感器领域）提供了重要的应用。大多数碳量子点都表现出类似的与激发波长有关的发射性质，这使得它们与传统的半导体量子点区分开来。

碳量子点自2004 年被发现以来，因其优异的水溶性、化学惰性、低毒性，可调节光致发光性、易于官能团化等特性而受到广泛关注。但是，目前有关碳量子点的研究还有许多问题没有解决，如其形成机理尚不明确，采用某些合成方法得到的碳量子点组成复杂、粒径大小不均一，荧光量子产率普遍较低，因此明确碳量子点的形成和发光机理、制备具有高荧光量子产率的碳量子点具有重大意义。本次实验根据前期研究进行实践，利用明胶和乙二胺作为基本原料制备了一种新型的碳量子点，探寻其化学发光性能，能在生活中得到普遍有效的应用。

1.2实验的特色或创新点

（1）利用明胶和乙二胺制备了一种新型的碳量子点；

（2）该碳点具有优异的化学发光性能；

（3） 设计成包括特殊荧光性能、指纹成像等科普性实验。

2.实验原理

碳量子点是一类具有1～10 nm的准球形碳基纳米材料，是近年来兴起的一种碳基纳米材料，由于其独特的化学尺寸，以及丰富的表面官能团，在检测、显影以及催化等领域有着广泛的应用。

碳量子点的制备分为自上而下和自下而上法，其中自下而上法因其反应条件相对温和，所以应用较为广泛。水热法是自下而上法中常用的方法，主要是通过水热法将有有机小分子在高温下聚合成尺寸在1-10 nm间的球体，其形成过程如图1所示：

图1 碳量子点的形成机理

发光性能是碳量子点最为引人关注的性能之一，其发光性质已有和普通荧光材料类似的性质也有不同的性质，例如碳量子点的发射光谱会随着激发光谱的改变而改变，这可能主要是由于碳点的尺寸不均匀造成的，另外也有产生丁达尔效应，可以通过发光性能实现指纹识别。

3.实验过程

3.1实验步骤

3.1.1碳量子点的制备：

用电子天平称取2.4g明胶和0.2 mL的乙二胺置于干净的烧杯中，加入40 mL 蒸馏水，在 60 ℃恒温水浴锅中加热，并在磁力搅拌下至明胶完全溶解，得到透明的淡黄色溶液。然后，将溶液倒入 50 mL聚四氟乙烯反应釜中，旋紧釜盖，置于 200 ℃恒温干燥箱中加热 12 h。最后，将聚四氟乙烯反应釜冷却至室温，得到棕红色的碳量子点溶液。

3.2.2碳量子点荧光粉的制备

分别取碳量子点溶液（未稀释）与硅溶胶以 3:1的体积比置于烧杯中，用玻璃棒搅拌后，在超声波清洗机中震荡 30min，使碳量子点溶液与硅溶胶充分混合。然后，将混合溶液置于冷冻干燥机中进行低温冷冻干燥，最终得到黄色粉末，放入玛瑙研钵中不断研磨，颗粒颜色由黄色逐渐变淡，直至得到颗粒度较细的荧光粉末。

3.3.3荧光性能的测定

将荧光碳量子点取10 uL放入3mL的去离子水中，放入荧光光谱仪中测试荧光选择不同的激发光谱，观察发射光谱的变化

3.3.4指纹的显影

在玻璃上捺印一组5 枚新鲜潜在手印，使用指纹刷蘸取荧光粉末对每种承痕客体上的潜在手印进行刷显。刷显时，注意沿着手印纹线流向进行操作，尽量减少人为原因对手印纹线的破坏。注意在使用每种荧光粉末时要分别使用不同的指纹刷，防止交叉污染。如果出现无法用指纹刷蘸取碳量子点荧光粉末的情况，则可以使用抖粉法显现潜在手印。

3.2结果与讨论

如图2所示，以明胶和盐酸乙二胺为原料，在120℃下反应12小时候冷却至室温，得到碳量子点溶液。

图2 碳量子点溶液制备示意图

我们首先利用XRD，红外光谱仪，透射电镜对碳量子点的结构进行了研究，如图a所示，可以看到在 2θ=20.62°处的宽衍射峰代表N-CDs 具有无定型碳的结构，和文献报道的相一致。为了研究碳点的表面官能团，我们利用红外光谱仪表征了碳点的结构，如图2b所示在3761～3000 cm^-1出现宽而大的吸收峰归因于O-H和N-H的伸缩振动；在1654 cm^-1处的吸收峰归因于C=O伸缩振动；1341 cm^-1处的红外吸收归因于-NH的双伸缩振动，1261 cm^-1处的峰对用C-N的伸缩振动吸收；在1072和1035 cm^-1处出现的吸收归因于C-O的对称和反对称伸缩振动，该碳点表面具有-COOH，-OH，-NH₂。透射电镜能够直观的分析物质的形貌，图2c和2d为制备的N-CDs在20 nm下的透射电镜图和粒径统计分布图，如图3d所示，所制备的碳点大部分都具有类球形结构，平均粒径在3～6 nm左右，具有碳点的典型粒径尺寸（1～10 nm）,从图中可以看出所制备的碳点分散性较好且不易于团聚。

图3 （a）制备N-CQDs的XRD图，（b）N-CQDs的红外光谱仪，（c）碳量子点的透射电镜图，（d）图c中碳量子点的粒径分布图

4.科普展示和互动方案

4.1 荧光碳点的发射光谱性质

地点：荧光光谱仪放置的房间

人群：高中生

展示内容：首先像同学们讲解碳量子点的发展史，然后讲解光学性质，并讲解其荧光性能与普通物质存在的区别，强调荧光的发射波长会随着激发波长的改变而改变，要求同学们配置碳点溶液，并在不同的激发波长下绘制发射曲线，从而直观的发现荧光这一特殊性能，如图4所示，并讲解这一特殊性能使其成为很好的光谱发光材料在检测、生物医学等领域有着较好的应用潜力。

图4 不同激发波长先碳量子点的发射光谱

4.2 指纹显影

地点：没有地点限制

人群：小学生，中学生、大学生均适合

展示内容：首先举例讲解碳量子点在光学领域的应用，碳量子点作为碳基纳米材料，首先是由中国科学家在2004年发现的，相比于石墨烯，碳量子点在很多领域方面具有优越性。邀请同学上台按下手印在玻璃上，并将由碳量子点做成的荧光粉末通过指纹刷轻轻地刷在刚刚按下的手印上，然后通过365 nm和405 nm波长的光源照射可以看到分别如下图5a和5b的图。

图5 （a）365nm下观察到的指纹，（b）405下观察到的指纹

参考文献

[1] Tao S, Zhu S, Feng T, et al. The polymeric characteristics and photoluminescence mechanism in polymer carbon dots: a review [J]. Materials Today Chemistry, 2017, 6: 13-25.

[2]曹文兵，孙争光，武钰涵，等.有机硅烷功能化碳点的制备及应用进展[J].复合材料学报,2022,39(03):884-895.

[3]张震，曲丹，安丽，等.荧光碳点的制备、发光机理及应用[J].发光学报,2021,42(08):1125-1140.

[4]刘俊，张熙荣，熊焕明.荧光碳点在指纹检测中的应用[J].发光学报,2021,42(08):1095-1113.