【《碳量子点的合成方法探究文献综述》2400字】

1绪论碳量子点的合成方法研究文献综述1.1合成原料碳量子点不仅合成简单，而且原料来源广，目前已被用于成功合成碳量子点的碳源材料主要包括宏观碳材料（碳纳米管、活性炭等)[13-14]、有机物分子（柠檬酸、多巴胺、葡萄糖、甘氨酸、尿素等）[16-18]以及生物质材料（花瓣、淀粉等）[18-19]。1.2合成方法自碳量子点被发现至今，人们已探索出了多种合成它的方法，碳量子点的制备工艺已有多篇文献做了详细的总结［20］。简言之，根据其原料碳的来源不同可分为两大类：自上而下法和自下而上法。自上而下法是将较大碳材料切割成碳纳米粒子，前驱体包括碳棒、碳纤维、碳纳米管、氧化石墨烯(GO)、活性炭、煤、烟灰等，所得产物一般具有广泛的尺寸分布，这种不均匀性导致激发相关的发光光谱[21]。切割方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、电化学法等。而自下而上法是通过非石墨碳源或小分子前体融合形成sp2域结构以获得量子点，具有碳源丰富和尺寸可控性强的优势。融合方法主要有：水热/溶剂热法、微波法、模板法等[22]。图1.2概括了碳量子点的基本合成方法和相关应用[23]。图1.2碳量子点的合成方法与应用[23]Figure1.2Synthesismethodsandapplicationsofcarbonquantumdots[23]自上而下法（1）电弧放电法正如前文所说,电弧放电法是最开始发现碳点的方法。该方法的原理是利用密封反应器中产生的气体等离子体驱动阳极电极从大块碳前体中分解出碳量子点[24]。2004年,Xu等用电弧放电法处理烟灰来制备纳米管时,在紫外灯的照射下发现了有能发出荧光的物质，然后通过电泳分离了三组分子量不同的纳米粒子，它们在365nm处能分别发射出蓝绿色、黄色和橙色荧光。再通过用HNO3氧化电弧处理过的烟灰以引入羧基官能团来加强纳米颗粒的亲水性，后用NaOH将黑色液体中的沉淀物提取出来，剩下的分散液用电弧放电法分离处理，最终得到一个快速移动的高荧光材料带，这个材料就被命名为碳点，如图1.3所示。通过这种方法所制备出的碳点荧光性能比较强，水分散性良好，但由于放电过程中形成的碳量子点粒径不均匀，且电弧放电的烟尘含有多种复杂成分，难以纯化，生产率太低，根本无法做到大量生产[25]。图1.3紫外光下凝胶通过电弧放电法制备的各色荧光碳点[25]Figure1.3VariousfluorescentcarbonpointspreparedbyUVgelbyarcdischarge[25]激光烧蚀法2006年，Sun等[12]首次采用激光烧蚀法，制备出了粒径在5nm左右的荧光碳量子点。该法是利用高能激光脉冲照射粒径较大的碳基材料表面，使其处于产生高温高压的热力学状态，然后迅速升温蒸发成等离子体，最后蒸汽结晶形成纳米颗粒[26-27]。激光烧蚀法制备出的碳量子点水分散性好、荧光特性强，但需要的设备价格昂贵、操作复杂，且产率低、粒径不均匀阻碍了其广泛应用。电化学法电化学法是一种成熟简单的制备方法，可在常温常压条件下进行[28]。用于电化学法合成碳量子点的常用碳源是石墨和碳纳米管，因为它们是理想的电极制备的材料。Yen[29]等报道了一种三电极电化学方法，用于在纯水电解液中直接合成碳量子点，该方法无需进一步的处理，如过滤、透析、离心和凝胶电泳。同时，结果表明，制备的碳量子点具有催化H2O2的作用，降低了电荷转移阻力和离子扩散阻力。用电化学法制备碳量子点，其优点是产量可由电解时间调控、对设备要求低、操作方便、可重复性强、合成的碳量子点易于调节其粒径和荧光性能，且基本不引入其他杂质，很好提纯和分离，因此这种方法广泛应用于碳量子点的制备[30-31]。如图1.4，展示了电化学法制备碳点的流程。图1.4利用电化学法制备碳量子点的流程图[30-31]Figure1.4FlowchartofPreparationofCarbonQuantumPointsbyElectrochemistry[30-31]（二）自下而上法（1）水热/溶剂热法在碳量子点的制备领域中,水热法可以说是近几年非常流行的方法[32]。主要流程是将小的有机分子原料如葡萄糖，尿素，柠檬酸等或聚合物溶解在水中或有机溶剂中形成反应前体，然后将得到的溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，再经过高温形成碳量子点[33-34]。前驱体碳源的选择范围非常广是水热法最大的优点，从常用的化学试剂如甲醇，到天然产物、果皮汁类如蜘蛛网、树叶、辣椒、蚕丝、大蒜、葡萄皮、橙汁、豆奶等，最后到废弃物如麦秸、咖啡渣等[35-38]。水热法操作简单，制备出的碳点具有非常不多的荧光性质，且粒径大小几乎一致，生产率比较高，是一种应用广泛的制备碳点的方法[39-41]。溶剂热法与水热法没有太大区别，该法是指将碳化物放在高沸点的有机溶剂中进行热处理，然后萃取和浓缩。这种方法简单省事、成本低，与以往的物理方法相比有了很大的进步，被认为是制备碳量子点最经典最环保的方法[42-44]。如Jin等人用低成本、环保的胡萝卜作为碳源，置于特制的密闭容器反应釜中，180℃水热炭化处理5小时实现碳量子点的合成[45](如图1.5)。该方法绿色环保，且能有效合成出具有特殊结构和性能的新型碳纳米材料，因此已被广泛应用于碳量子点的合成。图1.5溶剂热法合成碳量子点[45]Figure1.5SynthesisofCarbonQuantumPointsbySolventThermalMethod[45]（2）微波法微波是一种在日常生活和科研中应用广泛，波长在1毫米到1米之间的电磁波，与激光类似，微波也能提供强烈的能量来切断底物的化学键[46]。在自下而上的方法中，微波法是最具快速和商业化的方法，制备过程是先将前驱物溶于溶液中形成透明的溶液，然后在微波炉中加热[47-49]。首次用微波法制备出碳量子点是Zhu等人[50]在2009年以葡萄糖为碳源，聚乙二醇为溶剂在去离子水中形成透明溶液,并将其放到功率为500W的微波炉中10min。微波后，溶液从最开始的无色，变成棕褐色，就这样制备出了碳量子点。选择合适的碳源进行微波热解是一种有效的方法，能够低成本、高效、简单的大批量生产碳量子点。微波合成法具有快速、经济、操作方式简单、原料绿色、废弃物可重复利用的优点，目前已被广泛使用。（3）模板法模板法是指用特定的材料为模板，然后在模板上进行碳点的合成，再通过酸蚀或燃烧等方法将模板处理掉，剩下的就是我们制备的碳点。通常以介孔二氧化硅球为模板，因为它具有表面积大，容积率高，空隙均匀，热稳定性好，易除去等优点。Zong