生物质基纳米碳点的合成与掺杂改性研究开题报告

1. 研究目的与意义

碳元素是人类接触与使用最早的元素，同时也是自然界与生命体中不可缺少的基础元素。自发现碳元素以来，人们就对它进行了许多的探索与实验。如活性炭因其疏松的孔隙结构、较大的比表面积与较强的吸附能力可以将其应用于治理重金属工业废水，但是活性炭的制造成本太高；碳纳米管因其优异的化学稳定性与导电性能以及极高的吸附性能也被应用于废水处理，然而它较差的水溶性却限制了其进一步的广泛应用。

近年来，一种名为“碳量子点”（简称碳点，cds）的物质引起了人们的关注与研究。在 2006 年，sun 等[1]通过表面钝化的方法合成了发光性能较好的碳纳米颗粒，并正式地将其命名为“碳点”。碳点，是一种粒径10 nm、具有零维结构的新型荧光碳纳米材料。纳米碳点，具有良好的水溶性与发光性能，低毒性且制备手段丰富，因而在生物医药、环境治理中具有广阔的发展前景。纳米碳点的制备方法主要有两类，自上而下法与自下而上法，其中最常用的方法是自下而上法中的水热合成法，该方法简便、高效、环保，因而受到了研究者们的青睐。zhu 等人使用go 片作为前驱体，二甲基甲酰胺作为溶剂，通过溶剂热的方式一步合成出了纳米碳点。[2]然而合成的纳米碳点仍存在量子产率不太高等的不足之处，一般情况下，合成的裸碳点的荧光量子产率低于 10 ％，因此如何提高其量子产率与发光性能是当前研究的热点问题。

研究者们经过实验发现，在纳米碳点中掺杂杂原子可以改变碳点结构，从而改善荧光性能。其原理是掺杂杂原子的碳点具有不同的原子轨道，可以形成新的表面状态来捕获激发电子，因此量子产率明显提高，碳点的荧光性能得到显著提升。目前的研究中，针对氮掺杂碳点的研究是最多、也是最丰富的。氮原子与碳原子的大小相当，且电负性比碳原子更大，将氮原子掺杂进碳点的同时，也将电子掺杂进了碳点，改变了原有碳点的电子结构，改善了碳点的荧光性能。于明波[3]采用间苯二胺和巯基丁二酸为前驱体，采用水热法成功的制备出了氮掺杂的纳米碳点，通过探究间苯二胺和巯基丁二酸的质量比、反应时间和反应温度等合成条件对合成的碳点的性能的影响，确定最佳的合成配方。最后经过表征发现，合成的碳点形状呈现较为均一的球形，平均粒径在2.44 nm左右，而且表面引入了大量的氨基等的活性基团，水溶性好。作者通过测试不同ph条件下的碳点荧光强度，创造性的提出可以将其应用于ph传感方面。kong 等[4]以对羟基苯甲酸为碳源、乙二胺为氮源，通过水热法合成的绿色氮掺杂纳米碳点的量子产率可达 30%，并可用于 a-葡萄糖苷酶活性检测和抗糖尿病药物筛选。zhu 等[5]以乙二胺为氮掺杂剂，柠檬酸为碳源，采用一步水热法合成了量子产率高达 80%的 n 掺杂碳点（n-cds），并成功将其应用于 fe3 分析检测和荧光墨水的应用。ding h 等［6］采用水热法合成了具有可调光致发光（pl）的碳点（cds），其在水中的量子产率可达35%。实验还发现，不同表面状态的碳点样品因为其表面不同程度的氧化，具有不同的发光颜色。作者通过实验制备得到的碳点表现出良好的生物相容性和高光稳定性。

2. 研究内容和预期目标

1.探索利用花生壳水热合成纳米碳点的基本方法；

2.利用尿素进行氮掺杂碳点的合成，研究其对于碳点荧光性能的影响，并确定最好的掺杂配方；

3.探讨金属离子的加入对于氮掺杂碳点荧光强度的影响，研究其在水体检测方面的应用

3. 研究的方法与步骤

1.以天然花生壳作为碳源，通过一定温度和时间的水热反应实现碳点的制备；

2.在花生壳水解的基础上，以尿素作为氮源，进行氮掺杂碳点的水热合成；用不同浓度梯度的尿素进行掺杂，并通过离心、过滤、透析等分离手段对碳点进行筛选，对其进行荧光表征，探索浓度与荧光强度之间的关系或规律，从而确定最好的掺杂浓度；

4. 参考文献

[1] sun y-p, zhou b, liny, et al. quantum-sized carbon dots forbright and colorful photoluminescence [j]. journal of the american chemicalsociety, 2006, 128(24): 7756-7757.

[2] zhu s, zhang j, qiaoc, et al. strongly green-photo luminescent graphene quantum dots for bio imagingapplications [j]. chemical communications, 2011, 47(24): 6858-6860.

[3]于明波.杂原子掺杂多色荧光碳点的制备和性质研究[d].大连理工大学,2018.

5. 计划与进度安排

1.2022-12-28~2022-03-14：查阅文献，了解课题背景，完成开题报告。2.2022-03-15~2022-03-20：开展初步实验，熟悉用花生壳制备纳米碳点的过程。

3.2022-03-21~2022-04-01：加入尿素，对碳点进行改性，制备氮掺杂纳米碳点。

4.2022-04-02~2022-04-20：调节尿素加入的量，制备荧光性能较好的纳米碳点。