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发布者:张新平发布时间:2023-10-05 15:59:03阅读(77) 评论(0) 举报
2023年诺贝尔化学奖高考考点——碳量子点详细解读!
C3H3化学 2023-10-05 10:40 发表于福建
北京时间2023年10月4日下午5点45分许,瑞典皇家科学院决定将2023年诺贝尔化学奖授予美国科学家Moungi G.Bawendi、Louis E Brus,俄罗斯科学家Alexei l.Ekimov ,以表彰他们对量子点的发现和研究。
2023年的诺贝尔奖单项奖金为1100万瑞典克朗(约合人民币722.58万元),相比去年增加了100万瑞典克朗。
碳量子点是一种碳基零维材料。
碳量子点具有优秀的光学性质,良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等诸多优点。自从碳量子点被首次发现以来,人们开发出了许多合成方法,包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法、化学氧化法、燃烧法、水热合成法、微波合成法、模板法等。碳量子点的应用广泛,在医学成像技术、环境监测、化学分析、催化剂制备、能源开发等许多的领域都有较好的应用前景。
随着对于碳量子点更加深入的研究,人们在它的合成,性能和应用方面的研究都取得了很大的进展。同时,碳量子点的原料来源广泛,制备成本也比较低,在材料制备领域有很大的优势,在医学成像设备、微小的发光二极管、化学传感器、光催化反应等的很广的领域中都有较好的应用前景。
碳点结构 碳量子点(Carbon Quantum Dots, CQD)是由分散的类球状碳颗粒组成,尺寸极小(在10nm 以下),具有荧光性质的新型纳米碳材料。
碳量子点合适的尺寸、低廉的成本和良好的生物兼容性对于生物标记等领域的研究是至关重要的,因此它的出现引起了研究者广泛的关注。
碳点性质
碳量子点的结构和组成决定了它们性质的多样性。
碳量子点比较明显的一个特征就是在紫外光区有较强的吸收峰,并且在可见光区域有长拖尾。大多数吸收峰带集中在260~320 nm,通常表现出荧光最大发射波长、激发波长依赖性等光学特征。有些光谱中还出现了吸收肩,可能是由于C=C键的π→π*跃迁和C=O键的n→π*跃迁。
碳量子点另一个突出的一个特点,也是发现和应用碳量子点最初需要的性质就是它具有光致发光的特性,通俗来说,具有良好水溶性的碳量子点在光照下,其自身会发出明亮的荧光,而且,它的光学稳定性很好。
科学家们认为这种光致发光现象可能是由于碳量子点表面的空洞可以储存能量造成的。最近的研究表明,碳量子点的光致发光光谱的波长明显地与发射光谱的波长和强度有关。这可能是由于纳米尺度量子效应的光学选择性或者是碳量子点表面不同的发射阱,也可能是其他尚未发现的机理。
碳量子点除了有紫外可见吸收和光致发光性质之外,还有一个有趣的性质就是上转换发光 ( Up-conversion photoluminescence, UCPL)。通常情况下,材料只能受到高能量的光激发,发出低能量的光,换句话说,就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。但是后来人们发现,其实有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果,这就是上转化发光。对于碳量子点上转换荧光性质的机理解释还没有定论,有学者认为,碳量子点同时吸收两个或多个光子,使其在较激发波长更短的波长处吸收光,产生上转换荧光。碳量子点的上转化发光性质在发光显微镜进行细胞成像、高效催化剂设计,应用于生物科学和能源技术等方面都有很好的应用前景。
在其他方面,传统的量子点一般是从铅、镉和硅的混合物中提取出来的,但这些量子点一般有毒,对环境也有很大的危害。所以科学家们寻求在一些良性的化合物中提取量子点。碳量子点作为一种新型的碳纳米材料,与各种金属量子点类似,在制备的过程中不涉及重金属的使用,更有一些研究直接从食物饮料中提取碳量子点,如蛋清、冬瓜等。此外,碳材料的化学惰性较高,因为碳性质稳定,而且在生物体中的重含量很高,同时,碳量子点表面上的许多羧基等亲水性的官能团在水中具有优异的溶解性。因此相较于金属量子点材料,碳量子点具有较高的生物相容性和较低的细胞毒性,对环境危害很小。
制备方法
在过去的十余年间,各国的科学家已经开发出了各种不同合成碳量子点的方法,根据碳源的不同,这些方法可以大致地分为“自上而下”( Top- down) 合成法和“自下而上”( Bottom- up) 合成法。
“自上而下”合成法是指将大尺寸的碳源通过物理或者化学的方法剥离出尺寸很小的碳量子点。利用“自上而下”合成法合成碳量子点的碳源一般为碳纳米管、碳纤维、石墨棒、碳灰和活性炭等,通过电弧放电、激光销蚀、电化学合成等手段将这些富碳物质进行分解并最终形成碳量子点。
“自下而上”合成法与“自上而下”合成法相反,利用分子或者离子状态等尺寸很小的碳材料合成出碳量子点。用“自下而上”法合成碳量子点,多采用有机小分子或低聚物作为碳源,常用的有柠檬酸、葡萄糖、聚乙二醇、尿素、离子液体等。常见的“自下而上”合成方法有化学氧化法、燃烧法、水热/溶剂热法、微波合成法、模板法等。
人类首次发现的碳量子点,就是用这种方法合成的。2004年,Xu Xiaoyou等人在纯化电弧放电煤烟制得的单壁碳纳米管( SWCNTs) 时,分离出了一种未知的荧光碳材料。为了增加该碳材料的亲水性,用3.3 mol/L HNO3来氧化电弧处理过的煤烟以引入羧基功能基团,然后使用NaOH溶液来提取沉淀物得到稳定的黑色分散液,该分散液通过凝胶电泳法进行分离,得到SWCNTs、短的管状碳和一个快速移动的高荧光材料带,最后这种材料就是碳量子点。这种方法得到的碳量子点,荧光较好,但是碳量子点的粒径不均一,且产率极低,不适合大量生产。
激光销蚀法
用激光销蚀法得到的碳量子点产率约20 %,粒径不够均匀,需要的设备要求也相对较高,不适合工业化生产。
电化学法
电化学方法制备出的碳量子点产率较高,粒径较均匀,反应条件也较温和,对环境破坏较小,但是需要特殊设备,适合的反应也较少。
化学氧化法
燃烧法就是通过燃烧有机物,收集产生的碳粉,经氧化处理以后得到碳量子点的方法。
溶剂热合成法
在材料制备科学中,水热/溶剂热合成法是十分常见的一种方法,这种方法简单安全高效,对环境破坏较小。而且用于水热反应的原料来源很广泛,如果汁,牛奶,蛋清,维生素C,葡萄糖,草叶等都可以作为它的原料。
微波合成法
2009年,Zhu等人首次利用微波合成法制备出了碳量子点。他们将不同量的聚乙二醇( PEG-200) 和碳水化合物(葡萄糖,果糖等)加入蒸馏水水中形成透明溶液。 而后,在500W微波炉中加热2-10分钟。 随着时间的推移,溶液由无色变为黄色和最后变成深褐色,从而得到了碳量子点。模板法也是材料制备中十分常见的方法。模板法通常是以特定的支撑材料为模板,再这种材料上合成碳量子点后,然后用酸蚀等办法除去模板,从而获得碳量子点。Liu等人用两性聚合物F127 进行硅胶球体的功能化,以制备出的F127/SiO2复合物为模板,再以可溶性酚醛树脂作为碳前驱体与F127结合,制成一种球形复合物,后者经高温煅烧生成碳/二氧化硅复合物,再经350~400℃热分解及NaOH溶液40℃下刻蚀48 h,从而除去硅载体,即得碳量子点。用这种办法制备得到的碳量子点产率高达10%以上,且粒径较为均匀,水溶性也相对较好,但制备过程复杂。
化学传感器
某些碳量子点对于金属离子、酸根离子或者氢离子比较敏感,可以通过这一性得到相应功能的化学传感器。2016 年,Liu 等人以氢氧化钠为电解质,水和乙醇作为溶剂,以石墨电极为工作电极,在室温及 4℃的条件下,利用电化学氧化石墨制备出了对铁离子敏感的碳量子点。
生物传感器
利用碳量子点的免疫学荧光标记,碳量子点也常被用作基于抗体与 DNA 片段的生物传感器。
生物成像
碳量子点具有多个优点,包括良好的光学性能和光化学稳定性,水溶性好,而且基本无毒、环境友好。因此,在医学上可以用于细胞成像。由于碳量子点自身特殊的结构,与其紫外吸收和光电效应,使得它在一些化学反应中表现出了催化活性。Liu 等人利用碳量子点作为催化剂,光催化环己烷和过氧化氢反应制备环己酮,使产率从 15%提高到 63.8%。(文章部分图片与文字借鉴于网络)
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