(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
fullerene; carbon quantum dots; urea reduction method; fluorescence
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201811042
备注
将富勒烯C60和C70分别在空气气氛中350 ℃下煅烧,然后采用尿素还原法在温和(90 ℃)条件下制备得到碳量子点; 以透射电子显微镜、粉末X-射线衍射、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱等对碳量子点的组成和形貌进行表征,通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱对其光学性能进行研究; 并推测碳量子点的形成机制.结果表明,在激发光波长为320 nm时,两种碳量子点的荧光最大发射峰波长位于450 nm附近,相对荧光量子产率分别为23.24%和27.55%,推测其形成机制为尿素对空气气氛中煅烧过的富勒烯表面氧化位点的还原.该结果为温和条件下合成碳量子点提供了一种新的思路.
Carbon quantum dots(CQDs)exhibit excellent photoluminescent property and environmental friendliness.In this work,fullerene C60 and C70were treated at 350 ℃ in muffle furnace under air condition,followed by the reduction of urea at 90 ℃ to prepare CQDs.The chemical composition and structure of CQDs were characterized using transmission electron microscope,powder X-ray diffraction,Raman spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy.The optical properties of CQDs were studied using ultraviolet-visible absorption spectrometry and photoluminescence spectroscopy.The results showed that the emission wavelength was around 450 nm under the excitation wavelength of 320 nm and the relative quantum yield of C60-CQDs and C70-CQDs were 23.24% and 27.55%,respectively.Our studies revealed a possible mechanism of the reduction of oxygen defects on the calcined fullerene.This work proposed a new method for the synthesis of CQDs under mild conditions.
引言
碳材料家族自1985年富勒烯被报道以来一直得到人们的广泛关注.富勒烯是零维的碳纳米材料,其碳原子的杂化方式介于sp2和sp3之间,并在1990年实现了宏量制备[1].次年一维的碳纳米管被发现[2],并在材料和能源器件等领域得到重要应用.2004年,石墨烯被发现,引发了层状碳材料的研究热潮[3].同年,美国南卡罗来纳州立大学的Xu等[4]在纯化单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes)的过程中首次发现了具有荧光的碳纳米粒子,被称为碳量子点(carbon quantum dots).由于其水溶性好,易于修饰,具有优良的生物兼容性、高的光稳定性和可调的荧光性能,所以碳量子点迅速得到了研究人员的关注.
碳量子点的制备方法通常分为自上而下法和自下而上法两种.自上而下法是通过物理和化学方法将石墨、石墨烯和碳纳米管等大尺寸的碳材料破碎、剥落成碳纳米颗粒,包括激光刻蚀、电弧放电、电化学氧化、水热和溶剂热等方法[5-8].而自下而上法则从含碳的有机小分子出发,如柠檬酸、丙酮、乙二醇、葡萄糖等,通过液相合成和机械研磨等方法得到尺寸更大的碳量子点[9-13].从含有富勒烯的粗提碳灰出发也可以通过自上而下法得到碳量子点,如:Zhang等[14]采用浓硝酸和浓硫酸的混合体系处理含富勒烯的碳灰,制得了一系列具有黄色荧光的碳量子点; Ciotta等[15]采用改进的Hummers法制备了富勒烯C60碳量子点,并将其应用于重金属离子的检测; Chen等[16]在高温下用KOH多步活化C60得到碳量子点,经过冷冻干燥并在800 ℃下退火后将其应用于超级电容器电极材料.然而,这些以富勒烯或含富勒烯的碳灰为前体的合成反应大多需要强酸、强碱或强氧化剂条件,反应过程的可控性较差,也带来了环境污染等各种问题.
本研究分别以富勒烯C60和C70为前体,在空气气氛中煅烧后,在温和的液相反应条件下经过简单的还原成功制备得到两种碳量子点; 通过透射电子显微镜(TEM)、粉末X-射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱和傅里叶变换红外(FTIR)光谱等分析手段对碳量子点的组成和形貌进行表征,以紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱和荧光(PL)光谱对其光学性能进行研究,并推测碳量子点的形成机制,为温和条件下合成碳量子点提供了一种新的思路.
1 实验部分
1.1 试 剂富勒烯C60(质量分数99%)和C70(质量分数99%)购于福纳新材料有限公司; 氨水、水合肼、尿素、无水乙醇和甲苯均为分析纯,购于国药试剂股份有限公司; 罗丹明B(纯度99%)购于Sigma公司.
1.2 实验方法富勒烯C60和C70经过研磨后分别在空气气氛、350 ℃马弗炉中煅烧4 h,煅烧产物标记为C60-C和C70-C.分别称取0.1 g煅烧产物超声分散于100 mL去离子水中,随后加入10 g尿素,于90 ℃ 下搅拌反应24 h.反应产物经过0.22 μm孔径的微孔滤膜(天津市津腾试验设备公司)抽滤,得到深褐色溶液和深褐色不溶物,深褐色不溶物分别标记为C60-CR和C70-CR.通过旋转蒸发仪将深褐色溶液旋干,在乙醇中重结晶以除去大部分尿素,最终得到黄色澄清溶液.将该溶液浓缩至10 mL 左右后将溶液置于透析袋(截留分子质量100~200 u,购于美国光谱医学(Spectrumlabs)公司)中透析3 d,并采用薄层色谱法检测至无尿素残余,得到黄色的碳量子点水溶液,分别标记为C60-CQDs和C70-CQDs,经过冷冻干燥后待表征.
为研究碳量子点的形成过程,进行以下对照实验:1)在氨水和水合肼条件下分别进行C60-C和C70-C的还原实验; 2)对未煅烧的纯富勒烯C60和C70进行尿素还原实验; 3)对采用Hummers法[17]制备得到的石墨烯氧化物(GO)进行尿素还原实验.
1.3 表征方法样品形貌采用Jet 1400TEM表征,将两种碳量子点的水溶液滴于超薄碳膜铜网上,自然晾干后进行形貌观测.采用Rigaku ⅣXRD仪进行样品的物相分析,Cu Kα(λ=0.154 nm).IR光谱测试采用Nicolet 380型FTIR光谱仪,样品经过KBr压片后进行分析.Raman光谱测试采用Xplora 型Raman光谱仪,激发波长为532 nm.碳量子点的光学性质采用UV-2100型UV-Vis分光光度仪和F700型PL光谱仪进行测试,相对量子产率的测试采用罗丹明B作为参比,溶剂为乙醇.
2 结果与讨论
2.1 碳量子点的形貌和组成表征图1为C60-CQDs和C70-CQDs的TEM图,可以看出二者的粒径分布较为均匀,经统计可知其粒径分布范围主要集中在2.5~4.0 nm,尺寸明显小于以KOH活化富勒烯得到的碳量子点[16].本文中的方法与文献中其他方法[14-16]相比不需要逐级的透析筛选,仍能得到尺寸分布较为均匀的碳量子点,说明尿素还原法制备碳量子点时,选用具有确定分子结构的富勒烯将有助于形成尺寸均匀分布的碳量子点.富勒烯分子直径约为0.7 nm,一个富勒烯分子展开后的尺寸(约1.24 nm×1.24 nm)明显小于图中观察到的碳量子点的粒径,说明在尿素处理过程中碳笼发生了破碎,同时表面接有大量的官能团,并有可能发生聚合反应导致粒径增大.
图1 C60-CQDs(a)和C70-CQDs(b)的TEM图和粒径分布
Fig.1 TEM images and size distributions of C60-CQDs(a)and C70-CQDs(b)为进一步探究碳量子点的组成和形成过程,对富勒烯C60、C70以及各步骤产物进行XRD表征.如图2(a)所示:纯C60为典型的面心立方(fcc)结构,具有完整的晶型; 经空气气氛煅烧后,C60的各衍射峰位置基本保持不变,但峰形略微变宽,这可能是煅烧过程中富勒烯C60表面发生氧化或团聚导致晶型被破坏的缘故; 经与尿素溶液作用后,得到的碳量子点C60-CQDs的XRD谱图中C60特征衍射峰完全消失,但剩余固体产物C60-CR的XRD谱图中仍能观察到C60特征衍射峰,与煅烧产物C60-C相比晶型完整度略有提高.从图2(a)中的插图可以发现C60-C几乎不溶于甲苯,而C60-CR能部分溶解在甲苯中,呈现C60甲苯溶液特征的紫色(经Bruker公司的Esquire HCT型大气压化学电离质谱确认为C60).这可能是一些表面氧化程度较小的C60在尿素的作用下其表面含氧官能团被还原,分子结构得以恢复,因此能溶解在甲苯溶液中,而C60-CR中剩余不溶于甲苯的固体物质推测主要为C60聚合物.如图2(b)所示:与C60的反应不同,经过煅烧后C70的特征衍射峰几乎完全消失,说明在相同的煅烧条件下C70的氧化和聚合程度要严重得多,从图2(b)的插图也可以看出C70-C在甲苯中完全不溶解; 在C70-CQDs的XRD谱图中也完全观察不到C70的特征衍射峰,而C70-CR则在2θ =10°,16°,18°和19°处均出现微弱的C70的特征衍射峰,说明在尿素的还原作用下有少数氧化程度较低的C70表面含氧基团被还原而恢复原状.将C70-CR溶解在甲苯中,得到C70特征的颜色也证实确有少数C70被还原恢复原本的结构.C70-CR中剩余不溶于甲苯的固体物质推测主要为C70聚合物.
插图为相应产物在甲苯中的溶解照片.
图2 C60(a)和C70(b)及其各反应步骤产物的XRD谱图
Fig.2 XRD patterns of C60(a), C70(b)and products at various reaction stages图3(a)和(b)分别为以C60和C70为原料的各步骤产物的Raman光谱.由图3(a)可见,原料C60在1 000~2 500 cm-1范围内存在五元环的Hg(7)、Ag(2)和六元环的Hg(8)3种振动模式[16].经过空气气氛煅烧后,除C60的特征峰外,产物还呈现出碳材料典型的D峰和G峰.在碳材料的Raman光谱表征中,G峰为sp2杂化碳原子的E2g振动模式,D峰为sp3杂化碳原子的A1g振动模式,D峰的出现说明煅烧后C60发生了不同程度的氧化和聚合现象.经与尿素水溶液作用后,得到的碳量子点C60-CQDs的Raman谱图中观察不到C60的特征峰,仅观察到碳材料特征的D峰和G峰.一些表面氧化程度小的C60在尿素处理过程中表面含氧官能团被还原,因此在剩余固体产物C60-CR的Raman谱图中仍能观察到C60的特征峰.此外,C60-CR还包含大量的C60聚合物,仍显示很高的D峰和G峰的强度比(ID/IG).由图3(b)可见,C70的Raman光谱特征峰在经过煅烧后完全消失,说明C70发生了严重的氧化和聚合作用,与XRD表征结果一致.与C60体系类似,经尿素处理后得到C70-CQDs的Raman谱图中观察不到C70的特征峰,仅观察到碳材料特征的D峰
图3 C60(a)和C70(b)及其各反应步骤产物的Raman谱图
Fig.3 Raman spectra of C60(a), C70(b)and products at various reaction stages和G峰.尽管在剩余固体产物C70-CR中可能含有少数被还原的C70,但因其含量太少,在Raman谱图中并没有观察到C70的特征峰.
采用KBr压片法测定了各步骤产物的FTIR谱图.如图4(a)所示:纯C60因其完美的对称性只有4条特征谱线[18],分别位于526,574,1 182和1 428 cm-1处; 经过煅烧后,除C60的红外特征峰外,还出现了明显的C=O键伸缩振动峰(1 720 cm-1左右)和C=C键伸缩振动峰(1 600 cm-1左右),说明C60在空气中煅烧确实发生了氧化作用,并导致C60分子的对称结构被破坏; 经尿素还原处理后,剩余固体产物C60-CR的C=O键伸缩振动峰大大减弱,而C60-CQDs的FTIR谱图中,3 440,3 350和3 180 cm-1为氨基中N—H键的伸缩振动峰,1 670 cm-1处为酰胺基中C=O键伸缩振动峰,1 622 cm-1可归属为C=C键的伸缩振动,780 cm-1 处为N—H键面外变形振动的特征吸收峰,说明该方法制备得到的碳量子点表面发生了酰胺化反应[19].如图4(b)所示:经过煅烧后C70因发生严重的氧化和聚合反应导致其红外特征峰完全消失,同时在1 720和1 600 cm-1 左右出现明显的C=O和C=C键伸缩振动峰,这一结果和XRD与Raman分析结果一致; 经尿素处理后所得碳量子点C70-CQDs和剩余固体产物C70-CR的FTIR谱图和C60体系类似,均有明显的氨基和酰胺基的特征吸收峰.这些结果说明,以C60和C70为前驱体制备得到的碳量子点的组成非常类似.
图4 C60(a)和C70(b)及其各反应步骤产物的FTIR谱图
Fig.4 FTIR spectra of C60(a), C70(b)and products at various reaction stages2.2 碳量子点的光学性质分析图5(a)和(b)分别为C60-CQDs和C70-CQDs水溶液插图分别为C60-CQDs和C70-CQDs在白光和365 nm紫外灯照射下的照片.
图5 C60-CQDs(a)和C70-CQDs(b)的UV-Vis吸收光谱图和PL发射光谱图
Fig.5 UV-Vis and PL spectra of C60-CQDs(a)and C70-CQDs(b)的UV-Vis吸收光谱图和PL光谱图,可以看出:两种碳量子点的最大吸收峰都在225 nm附近; 此外,在255 nm附近还有一肩峰,当激发波长为320 nm时其荧光发射波长为450 nm.这说明以C60和C70为前驱体制备得到的碳量子点的光学性能非常相似.由图6(a)和(b)可见,当荧光激发光波长从260 nm变为460 nm时,两种碳量子点的最大荧光发射峰从440 nm红移至515 nm,这一现象被认为与
图6 不同激发波长下C60-CQDs(a)和C70-CQDs(b)的PL发射光谱图
Fig.6 PL spectra of C60-CQDs(a)and C70-CQDs(b)at different excitation wavelength碳量子点的尺寸分布导致的光学带隙差异有关,与文献报道的碳量子点纳米尺寸效应带来的光选择性相一致[14].以罗丹明B(365 nm激发波长下绝对荧光量子产率为65%)作为参比,测得C60-CQDs与C70-CQDs的相对荧光量子产率分别为23.24%和27.55%.
2.3 碳量子点的可能形成机制C60和C70在350 ℃空气气氛下煅烧,表面发生氧化或聚合现象,因而煅烧产物在甲苯中完全不溶解.由于尿素具有一定的还原性[20],在90 ℃尿素水溶液处理过程中煅烧产物发生还原作用:表面氧化程度高、共轭结构被破坏严重的C60和C70在还原过程中碳骨架被破坏,生成的碎片分子在尿素作用下发生酰胺化反应和团聚作用,最后形成具有荧光性能的碳量子点; 表面氧化程度小的C60和C70在尿素的作用下其表面含氧官能团被还原,分子结构得以恢复,因而能溶解在甲苯中; 在煅烧中因热聚合而产生的富勒烯聚合物即使在尿素的作用下也难以被还原并恢复到富勒烯的初始状态.以水合肼为还原剂也得到了类似的实验结果.但是采用氨水处理煅烧后的富勒烯则未发生明显的变化,说明溶液中的氨对碳量子点的生成而言并不是关键因素.
以未煅烧的纯富勒烯C60和C70替代煅烧产物进行同样的尿素还原实验,结果表明富勒烯没有发生任何变化,也没有碳量子点的生成.这说明富勒烯表面的氧缺陷及其含量对碳量子点的形成具有关键作用.以Hummers法制备得到的GO为原料进行相同的尿素还原实验,也可以得到少量荧光碳量子点,同时发现GO表面的含氧官能团被部分还原,证实了尿素在还原带有氧化位点的碳材料时可以生成碳量子点.富勒烯具有确定的分子量,因此采用尿素还原法时无需进行逐级透析筛选就可以得到尺寸均一的碳量子点,与文献报道的其他方法[14-16]相比更加简便温和,同时扩展了富勒烯的应用.
3 结 论
以富勒烯C60和C70煅烧产物为原料,采用尿素还原法在温和条件下制备得到了具有良好的水溶性与发光特性的荧光碳量子点.通过TEM、XRD、Raman光谱、FTIR光谱等手段对原料和各步骤产物的形貌和组成进行研究,并推测了碳量子点的可能形成机制.煅烧产物中表面氧化程度较高、共轭结构被破坏严重的C60和C70在还原过程中碳骨架被破坏,生成的碎片分子在尿素作用下发生酰胺化反应和团聚作用,最后形成具有荧光性能的碳量子点.本研究制备的碳量子点C60-CQDs和C70-CQDs具有良好的荧光性能,相对荧光量子产率分别为23.24%和27.55%,为温和条件下合成碳量子点提供了一种新的思路.
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