煤基功能性碳量子點的合成、結構與性能研究

《煤基功能性碳量子點的合成、結構與性能研究》是依託大連理工大學,由王秀娜擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：煤基功能性碳量子點的合成、結構與性能研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王秀娜

項目摘要

碳量子點是新近發現的一種新型納米碳材料，具有螢光穩定性高、易官能化、低毒等優點，催生了發光納米粒子研究的一個新材料體系。結構和性能可調變的碳量子點的廉價可控制備及其套用性能的調變是一個富有挑戰性的課題。本項目提出以煤炭為碳源,採用化學氧化法和電化學法兩種由上而下的製備方法，基於對煤炭中石墨微晶的調控策略，製備具有優異光致發光性能的煤基碳量子點；研究揭示煤基碳量子點的結構與碳源的結構和化學性質及預處理工藝條件間的規律性關係，研究並建立結構和性能可控的煤基碳量子點材料的製備技術策略；詮釋煤基碳量子點的量子產率和螢光壽命與其尺寸、單分散性、微觀結構及表面官能團修飾等之間的構效關係，揭示碳量子點螢光效應的本質，建立發射波長可調變的煤基碳量子點的製備新技術方法；探究煤基碳量子點在太陽能光解水和燃料敏化太陽能電池方面的套用潛力和特點。該項目的實施將豐富和發展納米碳材料學科的內涵，有重要的學術價值。

結題摘要

以螢光碳量子點為代表的零維納米材料是國內外高度重視的一類新型納米功能材料，其低成本可控制備是當今納米材料研究領域的前沿和熱點之一。如何以廉價碳源為前驅體，實現對螢光碳量子點結構和組成的準確控制，進而調變其本徵性能，對於深入理解碳量子點的結構與性質之間的構效關係，進而設計並構築新型功能材料具有重要意義。本項目以煤炭為碳源，針對不同原料煤的結構和性質，設計了數種合理的工藝路線，製備出具有獨特螢光性能的煤基碳量子點。主要研究成果如下： 1、以煤炭為碳源前驅體，採用硝酸氧化法、電化學刻蝕法及溶劑熱法，成功製備出具有特殊螢光性質的煤基碳量子點，詳細研究了碳源種類、煤岩結構、預炭化處理、電解液體系、溶劑熱溫度等工藝條件對煤基碳量子點收率、結構和性質的影響。結果表明，高煤化度的煤炭和絲質組分有利於提高煤基碳量子點的量子產率；通過控制預炭化溫度，可實現煤基碳量子點平均粒徑從1.9 nm到3.1 nm範圍內的調控；溶劑熱條件下得到的煤基碳量子點的量子產率高達47%。 2、系統研究了煤基碳量子點的螢光性質及其調控策略。發現，煤基碳量子點在高濃度條件下的會產生聚集效應，螢光光譜逐漸紅移；中性環境條件下，碳量子點的螢光最強，過酸過鹼都造成螢光猝滅，發射光譜隨pH值增大逐漸紅移；煤基碳量子點表面狀態對其螢光性質影響很大，經硼氫化鈉表面還原後的煤基碳量子點的量子產率從1.02%大幅增大到8.80%；用有機配體修飾.煤基碳量子點，可進一步提供煤基碳點的螢光產率，此外，還能夠實現煤基碳量子點表面親/疏水性的可控調節。 3、煤基碳量子點在電催化領域和離子檢測領域表現出優異的套用潛質。由煤基碳量子點和石墨烯構築的全碳複合物催化劑，在氧還原反應中表現出能夠媲美商業Pt/C催化劑的催化活性，且具有更好的穩定性和更強的抵禦甲醇穿透效應的能力；利用煤基碳量子點的特殊螢光特性，可以合成高靈敏度的螢光探針，用來檢測水體中的銅離子，檢測限可達2.0 nM。