碳纳米材料的合成及其应用研究

【摘要】近年来,碳纳米材料,碳量子点(carbonquantumdots,本文简称碳点,CDs)和还原氧化石墨烯(reducedgrapheneoxidenanosheets,RGN)是碳家族的两颗新星,因其独特的理化性能而引起了研究热潮。众所周知,与石墨烯类似,RGN也具有很高的电导率,是接近零带隙材料,几乎观察不到它们的荧光,限制了其在光学领域的应用。然而,然而,当RGN或石墨烯(graphene)的尺寸减小到10nm以下,可以形成一种具有优异的光学性能的新型荧光CDs,它在光电设备和生物显影方面有着潜在的应用。目前,合成CDs的方法有很多种,不同的合成方法制备出的CDs具有不同的结构和性能。本论文选取了一种新的碳源,魔芋粉(konjacflour,KF),通过一步热解法制备出高荧光量子产率(quantumyield,QY)的氮掺杂的碳量子点(N-CDs),对其形貌、结构、以及荧光性能进行了表征,且进-步研究其生物显影效果和光催化活性。此外,本论文分别通过酒石酸、苹果酸和草酸在加热条件下处理GO得到具有不同表面特性的RGN1、RGN2和RGN3,并且表面特性的不同导致了其电化学性能差异。主要内容包括以下几个方面：1.一种温和、绿色的制备高QY的荧光N-CDs的方法。通过热解KF、乙醇提取、蒸馏水纯化得到氮含量为7.03%的N-CDs,该N-CDs在蒸馏水和乙醇溶液中的QY分别可达13%和22%。利用荧光光谱观察N-CDs的荧光强度、频率随着激发光的波长、pH、浓度和表面钝化不同分子量聚乙二醇(PEG)和碱性氨基酸的变化而变化的情况。研究结果表明：(1)N-CDs的荧光具有激发光依赖性；(2)N-CDs具有良好的pH转化的荧光性能,pH值约为9时N-CDs的荧光强度是pH值约为5的2倍左右,且在酸性条件下N-CDs没发生荧光淬灭现象；(3)N-CDs的荧光具有浓度依赖性,随着N-CDs浓度的增加,最佳激发波长和发射波长都发生红移,当浓度为0.1mgmL-1时,N-CDs的荧光强度达到最大值；(4)N-CDs表面钝化PEG后可提高其荧光强度,并且N-CDs的荧光强度随着PEG的分子量增加而增加；(5)N-CDs具有荧光“开-关”行为,Fe3+可使该N-CDs产生荧光淬灭现象,而NaOH、L-精氨酸(L-Arg)和L-赖氨酸(L-Lys)可使其荧光恢复,且L-Lys会使其荧光发射峰红移,在365nm紫外灯照射下,N-CDs/Fe3+-L-Lys溶液呈绿色。此外,与Fe3+结合处于淬灭状态的N-CDs进入HeLa细胞后也可恢复荧光。2.N-CDs的细胞毒性和体外活细胞显影效果。选取HeLa细胞通过四甲基偶氮唑盐(MTT)双波长法研究了N-CDs的细胞毒性,结果显示N-CDs的细胞毒性呈浓度依赖性,HeLa细胞在同N-CDs共培养24h后,其存活率随N-CDs浓度的增加略呈降低趋势,当N-CDs浓度高达200μgmL”1时,细胞存活率仍在75%以上。将HeLa细胞与N-CDs(200μgmL-1)共培养2小时后利用激光共聚焦显微镜通过Z轴扫描法观察,发现N-CDs可被细胞摄取,主要分布在细胞质内和细胞膜上,并且在不同的激发光下,N-CDs在Hela细胞中可以呈现不同的颜色。3.N-CDs的化催化活性。本文将合成的N-CDs在氙灯模拟的可见光(λ>420nnm)、室温条件下降解甲基橙和罗丹明B水溶液。研究表明：当甲基橙和罗丹明B水溶液的浓度为10mgmL-1时,分别率用2mg和10mgN-CDs作为催化剂光催化降解50mL甲基橙和罗丹明B溶液2小时后,降解效率可达到95.4%和69%。此外,在相同的条件下,与商业催化剂二氧化钛(P25)作比较,发现该法制备的N-CDs的光催化活性可与商业P25的光催化活性匹敌。4.三种酸还原GO得到具有不同表面特性的RGN。利用改进的Hummers法制得GO,分别以酒石酸、苹果酸和草酸作为还原剂处理GO水溶液制备出RGN1、RGN2和RGN3。实验结果表明,GO表面上的羟基、羰基和羧基基本被去除,得到残留C-O-C官能团的RGN。并且,随着酒石酸、苹果酸和草酸的空间位阻依次降低,苹果酸、酒石酸和草酸的离子常数依次增加,RGN1、RGN2和RGN3的sp2杂化的碳域的数目依次增加。相应地,GO的电导率得到了很大的提高,比电容从2.4Fg-1(GO)增加到100.8(RGNl),112.4(RGN2),147Fg1(RGN3)。此外,本文初步探讨了还原性酸还原GO的机理以及还原性酸的空间位阻和离子常数对GO的还原效果影响,发现还原性酸的空间位阻在还原GO的过程中影响更大。
【作者】滕羲瑶；
【导师】毕红；
【作者基本信息】安徽大学，材料工程，2014，硕士
【关键词】氮掺杂碳点；荧光“开-关”；细胞显影；还原氧化石墨烯；表面特性；

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