功能化碳納米材料的制備及其熒光性能研究.pdf

1、碳納米管、石墨烯和碳量子點等碳基納米材料因其特殊的結(jié)構(gòu)和小尺寸效應、量子效應和表面效應等獨特性質(zhì)，成為在傳感器、納米電子器件、催化、藥物輸送和儲氫等領域的研究熱點。其光致發(fā)光性質(zhì)引人關注，此性質(zhì)被廣泛應用于生物傳感、化學傳感和生物成像等領域。研究表明功能化碳納米管和功能化石墨烯均可以表現(xiàn)出較強的近紅外和可見熒光。碳量子點不僅具備了半導體量子點高量子產(chǎn)率、熒光穩(wěn)定性強以及吸收和發(fā)射熒光的可調(diào)性等優(yōu)勢，而且碳量子點發(fā)光更穩(wěn)定，具有低毒性以及

2、優(yōu)異的生物相容性，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)量子點成為生物醫(yī)學領域中最具有應用前景的環(huán)境友好型納米材料。對功能化碳納米管和功能化石墨烯的可見熒光以及碳量子點可調(diào)變熒光的研究不僅對相關熒光材料的制備和熒光機制的認識具有重要意義，而且可以用于相關化學和環(huán)境傳感器的構(gòu)建。
　　本文研究了以氮摻雜碳納米管為前驅(qū)體通過氧化來制備氮摻雜石墨烯納米片的方法及其性質(zhì);通過化學修飾手段制備了具有高效可見熒光的的功能化碳納米管;采用實驗手段和理論模擬結(jié)合探討了氧化

3、碳納米管和氧化石墨烯可見熒光的產(chǎn)生機制;并且制備了高量子產(chǎn)率的碳量子點，對具有低毒性和較好細胞成像性能的碳量子點的合成進行了初步探索。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)采用氮摻雜碳納米管為前驅(qū)體通過化學切割法制備了系列氮摻雜石墨烯納米片，并發(fā)現(xiàn)該氮摻雜石墨烯納米片在水中具有較強的可見熒光。通過調(diào)控氮摻雜石墨烯納米片的厚度和大小對所制材料發(fā)出熒光的顏色和量子產(chǎn)率進行控制。探索了不同氧化程度對氮摻雜碳納米管熒光的影響。該氮摻雜石墨烯納米片

4、的熒光可以用于區(qū)分主族和過渡金屬離子，用于金屬離子的傳感。
　　(2)建立了通過引入簡單有機小分子提高氧化碳納米管的熒光量子產(chǎn)率的一般方法，揭示了簡單化合物的引入對其熒光的增強機制和制備高效熒光碳納米材料的潛在規(guī)律。制備得到的功能化的多壁碳納米管在水中具有良好的分散性能，并且能夠發(fā)出強烈的可見熒光，對過渡金屬離子有靈敏的響應和選擇性。同時結(jié)合實驗結(jié)果推測金屬離子對氨基功能化的多壁碳納米管的猝滅機理，是由于金屬離子和氨基功能化的多壁

5、碳納米管之間發(fā)生了絡合反應。
　　(3)通過柱色譜分離，將酸氧化的多壁碳納米管進行有效分離，將得到的幾種主要組分進行分析檢測，探討了可能的熒光機制。結(jié)果表明氧化碳納米管本身只會發(fā)出微弱的近紫外可見熒光，明亮熒光主要來源于混合物中的碳量子點成分。結(jié)合理論計算，將氧化碳納米管的熒光主要歸納為氧化產(chǎn)生的結(jié)合含氧官能團的sp3碳原子所孤立的sp2碳原子團簇。碳納米管在氧化過程中還會轉(zhuǎn)化成大片層的氧化石墨烯。我們的研究不但揭示了氧化碳納米管

6、混合物發(fā)出明亮可見熒光的來源，對氧化碳納米管熒光的產(chǎn)生機理給出合理的解釋，而且對理解具有高熒光性能的氧化石墨烯的本質(zhì)具有重要的借鑒意義。
　　(4)探索了一種簡單有效的合成鹵代碳量子點的合成方法。通過熒光信號的變化，將所合成的鹵代碳量點用于Fe3+選擇性識別，同時利用其對溶劑粘度的變化的響應有望將其用于溶劑粘度的檢測。鹵代的碳量子點還能作為一種有效的反應中間體，為碳量子點的進一步的功能化提供了選擇。
　　(5)以三溴化磷和對