碳源选择对荧光碳量子点光致发光性能的影响*

任 炼，张鑫涛，赵丽萍，吴可嘉，董丽敏

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

碳源选择对荧光碳量子点光致发光性能的影响*

任 炼，张鑫涛，赵丽萍，吴可嘉，董丽敏**

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

采用水热法，分别以葡萄糖、柠檬酸、抗坏血酸为碳源，合成了碳量子点。研究了三种碳源制备碳量子点的光致发光性能，并进行比较。同时研究了柠檬酸和抗坏血酸的最佳水热温度。结果表明：用于实验的三种碳源中，柠檬酸最适用于水热法制备碳量子点，柠檬酸和抗坏血酸的最佳水热温度均为200℃，以柠檬酸为碳源制备的碳点的发射峰位置约为460nm，荧光颜色为蓝色；以抗坏血酸为碳源制备的碳点发射峰位置约为485nm，发青色荧光。

碳量子点；不同碳源；水热法；光致发光性能

前言

碳量子点[1]（Carbon QuantumDots，缩写为CQDs）作为碳纳米材料家族的新成员，因其良好的化学稳定性、方便功能化、优秀的细胞相容性等优点，成为继C60、碳纳米管、石墨烯后新的研究热点。碳点的合成方法多样[2~4]，在光电转换、生物成像[5]、生化传感、环境检测[6]、生物医药[7]、光电催化[8]等领域具有十分重要的研究价值[9]。

本课题组已经以葡萄糖为碳源，采用一步水热法成功制备了CQDs，研究了水热温度对获得碳量子点光致发光性能的影响。在此基础上，本文研究了改变碳源对碳点发光性能的影响，并探寻了不同碳源对应的最佳水热温度。

1 实验部分

1.1 试剂

葡萄糖（C6H12O6，A.R.）天津恒学化学试剂制造有限公司；抗坏血酸（C6H8O6，A.R.）天津天大化学试剂厂；柠檬酸（C6H8O7·H2O，A.R.）天津博迪化工股份有限公司。所有试剂未经进一步纯化。

1.2 实验内容

将少量的碳源（本文选取的碳源分别为葡萄糖、柠檬酸、抗坏血酸）溶于适量去离子水中，磁力搅拌至澄清溶液，转移到100mL的反应釜内，一定温度下保温一段时间。冷却后经离心、过滤得上清液，即为碳量子点溶液。

1.3 结构与表征

采用日本JEOL公司的JEM-2100型透射电子显微镜观察CQDS的形貌及其尺寸大小；采用日本Shimadzu公司的RF-5301PC型荧光分光光度计对制备的CQDs的光致发光性能进行测试；采用上海棱光公司的UV757CRT型紫外可见分光光度计对CQDs的光学性质进行分析；采用美国Thermo Nicolet公司的Avatar370型红外光谱仪，对制备的CQDs的表面基团进行表征。

2 结果与讨论

2.1 傅里叶变换红外光谱分析

本文通过傅里叶变换红外光谱（Fourier TranslationInfrared spectroscopy,FT-IR）来推断制备的碳量子点的化学组成。图1为分别以葡萄糖、柠檬酸、抗坏血酸为碳源，一步水热法制备的CQDs的FT-IR光谱图。

图1不同碳源制备CQDs的FT-IR图谱Fig.1 The FT-IR spectra of CQDs prepared with different carbon sources

图1 表明利用不同碳源，一步水热法合成的CQDs的表面基团一致，存在3200~3500cm-1位置的-OH的伸缩振动，1667cm-1位置的C=O的伸缩振动和650~750cm-1位置的-OH的伸缩振动，说明在CQDs的表面存在大量的含氧基团。

2.2 CQDs的形貌分析

图2CQDs的TEM照片Fig.2 The TEM image of CQDs

图2 为制备的CQDs样品的TEM照片，放大倍率为20万倍。

从图2可以看出，制备的CQDs在视野内分布均匀且密集，未见明显的团聚现象。碳点的粒度均一性良好，形状接近球状。

2.3 CQDs的紫外可见吸收光谱分析

图3为葡萄糖、柠檬酸、抗坏血酸三种碳源制得的CQDs的紫外可见吸收光谱，采用的方法为一步水热法。

图3 不同碳源的CQDs溶液的紫外可见吸收光谱Fig.3 The UV-Vis spectra of CQDs prepared with different carbon sources

由碳点的紫外可见吸收光谱分析可知，利用不同碳源制备的CQDs的紫外吸收可见光谱有区别，吸收峰位置存在移动。210~250nm间的吸收带为双键共轭体系的π→π*跃迁，270~350nm间的吸收带为羰基等不饱和体系的n→π*跃迁。

2.4 CQDs的光致发光性能分析

2.4.1 水热温度对CQDs光致发光性能影响

图4为水热法，柠檬酸以及抗坏血酸在不同水热温度下的荧光发射光谱。

图4 不同碳源在不同水热温度下制备的CQDs的荧光发射光谱（a.抗坏血酸，b.柠檬酸）Fig.4 The fluorescence emission spectra of CQDs prepared with different carbon sources at various hydrothermal temperatures（a.ascorbic acid and b.citric acid）

在我们之前的研究当中，比对了葡萄糖在不同温度下保温24h的荧光性能，结果表明180℃为最佳的水热温度，发射峰位置在450nm处，为蓝色荧光。

图4中柠檬酸和抗坏血酸的水热时间均为12h，水热温度如图4中所示。分析可知，荧光强度随着水热温度呈现先升高后降低的趋势。柠檬酸和抗坏血酸为碳源时的最佳水热温度均为200℃。柠檬酸为碳源获得的CQDs的发射峰位置约为460nm，所发荧光颜色为蓝色；抗坏血酸为碳源获得的CQDs的发射峰位置约为485nm，发青色荧光。碳源的变化并没有改变实验中的现象，过高的水热温度造成了碳源的过度碳化，荧光强度下降。

2.4.2 不同碳源对CQDs光致发光性能影响

图5 水热法制备CQDs的荧光光谱Fig.5 The fluorescence spectra of CQDs prepared by hydrothermal method

不同碳源因为其本身的特殊性质而适用于不同的制备方法。图5是三种碳源采用一步水热法制备CQDs的荧光光谱。水热温度200℃，保温12h。

通过对水热法制备的CQDs的荧光光谱分析可知，柠檬酸作为碳源水热制备出的量子点荧光性能最好，葡萄糖次之，抗坏血酸最差。这可能是由于不同材料的化学组成和生产条件有区别造成的。因此，三种碳源制备性能优异的碳量子点，柠檬酸更适合于水热法。

3 结论

本论文采用一步水热法，以柠檬酸、抗坏血酸和葡萄糖为碳源成功制备了碳量子点。实验表明，柠檬酸和抗坏血酸的最佳水热温度均为200℃，柠檬酸为碳源的CQDs的发射峰位置约为460nm，发荧光颜色为蓝色；抗坏血酸为碳源的CQDs的发射峰位置约为485nm，发青色荧光。比对三种碳源在相同水热条件下的荧光性能，不同碳源的发射峰存在一定的移动，柠檬酸最适合水热法。

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［2］颜范勇,邹宇,王猛,等.荧光碳点的制备及应用［J］.化学进展, 2013,26（1）:61～74.

［3］王林鹏,马玉洁,周学华,等.碳点的制备与应用研究进展［J］.材料工程,2015,43（5）:101～112.

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［5］刘佳蕙,黄旭泽,董益阳.荧光碳量子点的合成与生物成像应用及生物安全性研究进展［J］.西南民族大学学报:自然科学版, 2014,40（6）:818～825.

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Effect of Different Carbon Sources on the Photoluminescence Properties of Fluorescent Carbon Quantum Dots

REN Lian,ZHANG Xin-tao,ZHAO Li-ping,WU Ke-jia and DONG Li-min
（College of Materials Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China）

The carbon quantum dots were successfully synthesized via hydrothermal method with glucose,ascorbic acid and citric acid as carbon sources.The photoluminescence properties of carbon quantum dots were compared which were prepared with these carbon sources respectively.The best hydrothermal temperatures for the synthesis with citric acid and ascorbic acid respectively were researched.The results showed that the ascorbic acid was the best choice for preparing carbon quantum dots by the hydrothermal method among these three carbon sources.And the best temperature for citric acid and ascorbic acid were 200℃.When the citric acid was used as the carbon source,the emission peak position of carbon dots was located at about 460nm,and the fluorescent color was blue.And the position was located at about 485nm when the ascorbic acid was used,and the color was cyan.

Carbon quantum dots;different carbon sources;hydrothermal method;photoluminescence property

TQ531.2

A

1001-0017（2016）05-0366-03

2016-05-06*基金项目：黑龙江省大学生创新创业项目（编号：201510214006）

任炼（1993-），重庆人，在读本科生，研究方向：无机功能材料。

**通讯联系人：董丽敏，博士，教授，研究方向：无机光电功能材料。