金属和非金属掺杂功能化碳量子点的制备及多领域应用

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2017年第36卷第5期·1734·化 工 进展碳量子点的合成、性质及应用高雪1，2，孙靖1，2，刘晓1，2，王华1，2，韩金玉1，2（1天津大学化工学院，天津 300072；2绿色合成与转化教育部重点实验室，天津 300072）摘要：碳量子点的研究引起了国内外学者的广泛关注，近年来更是掀起了以天然物质为碳源制备碳量子点的研究热潮。

本文基于碳量子点的最新研究进展，总结了碳量子点不同的合成方法，主要包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法等“自上而下”合成法与燃烧法、水热法等“自下而上”合成法。

此外，还重点介绍了碳量子点的表征技术，如透射电子显微镜、拉曼光谱、荧光光谱、紫外可见光谱、X 射线衍射、核磁共振技术等，以及碳量子点的性质及其在生物成像、生物传感与检测和光催化等领域的应用。

最后展望了未来碳量子点在光催化、电催化等领域研究工作的发展方向。

关键词：碳量子点；合成方法；荧光；生物成像；光催化中图分类号：O613.71 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）05–1734–09 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.023Carbon quantum dots: synthesis ，properties and applicationsGAO Xue 1，2，SUN Jing 1，2，LIU Xiao 1，2，WANG Hua 1，2，HAN Jinyu 1，2（1School of Chemical Engineering and Technology ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China; 2Key Laboratory forGreen Chemical Technology of Ministry of Education ，Tianjin 300072，China ）Abstract ：As a kind of burgeoning carbon nanomaterials ，carbon quantum dots have attracted muchresearch attention in recent years ，especially those prepared by using natural substances as the origin of carbon. In this review ，various synthesis methods of carbon quantum dots were introduced based on the latest research progress ，including top-down approach and bottom-up approach. In addition ，we summarized the typical characterization methods for carbon dots ，such as TEM ，Raman spectrum ，fluorescence spectrum ，ultraviolet-visible spectrum ，X-ray diffraction ，and nuclear magnetic resonance. The properties of carbon quantum dots and their applications in bioimaging ，biological sensing and detection as well as photocatalysis are also introduced. Finally ，the future development of carbon quantum dots in photocatalysis and electrocatalysis are forecasted. Key words ：carbon-quantum-dots ；synthetic approaches ；photoluminescene ；bioimaging ；photocatalysis碳元素是自然界中含量最丰富的元素之一，也是构成生命体最基本的元素。

碳量子点荧光材料的制备及其对金属离子检测的应用研究进展肖秀婵; 秦淼; 李强林; 任亚琦; 周筝【期刊名称】《《功能材料》》【年(卷),期】2019(050)009【总页数】6页(P63-68)【关键词】碳量子点; 制备方法; 金属离子检测; 应用领域【作者】肖秀婵; 秦淼; 李强林; 任亚琦; 周筝【作者单位】成都工业学院智慧环保大数据中心成都 611730【正文语种】中文【中图分类】X8320引言重金属污染已成为全球性环境问题之一，对人类健康造成不可逆转性的损害。

重金属具有分布广泛、形态多样、降解难、毒性高等特点，可以通过各种形式进入到土壤、空气和水体中，最终通过食物链或者直接接触的方式进入人体，并在体内累积，导致生物体内的蛋白质结构发生不可逆的改变，影响组织细胞功能，进而引发各种疾病[1]。

随着人们健康意识和环保意识的增强，重金属检测技术的研究越来越受到重视。

目前已有多种检测方法可以实现灵敏的重金属离子检测，如原子吸收光谱法、原子荧光发射法、电感耦合等离子质谱法和荧光探针法等，可用于微量或痕量重金属离子的测定[2-4]，但受限于检测过程繁琐、运行费用高、不易携带且需要经过专门训练的人员操作等缺点，这些技术难以满足日益增长的现场监测和在线分析等需求。

因此，开发快速、灵敏、准确的重金属分析方法，对于保护环境和提高人类的生存质量均具有重要意义。

碳量子点(carbon quantum dots, CQDs)是由分散的类球状碳颗粒组成，尺寸极小(在10 nm以下)，具有荧光性质的新型纳米碳材料[5]。

自从2004年美国南卡罗莱纳大学的Xu等[6]在制备单壁碳纳米管(SWCNTs)时，首次发现了可以放出明亮荧光的碳量子，随后2006年Sun等[7]通过激光烧蚀石墨粉和水泥获得荧光碳点，近年来吸引了越来越多的科学家广泛关注。

碳量子点具有极小的尺寸、优良的水溶性、化学稳定性、低毒性、良好的生物相容性、低廉的成本、较强的[1]量子限域效应、稳定的荧光性能等一系列优异性能，在生物成像、有机物分析和光催化等多个领域具有潜在的应用前景，因此具有巨大的研究价值[8-9]。

碳量子点的制备及性能研究一、本文概述随着纳米科技的迅速发展，碳量子点（Carbon Quantum Dots，简称CQDs）作为一种新兴的碳纳米材料，以其独特的光学性质、良好的生物相容性和环境友好性，在生物成像、光电器件、药物传递和环境治理等领域展现出广阔的应用前景。

本文旨在全面介绍碳量子点的制备方法、结构特性以及潜在的应用价值，通过深入研究和分析，为碳量子点的进一步应用和发展提供理论支持和实践指导。

本文将首先综述碳量子点的制备技术，包括自上而下和自下而上两大类方法，如激光烧蚀、电化学氧化、热解和微波合成等。

随后，文章将重点探讨碳量子点的光学性能、电子结构和表面性质，以及这些性质如何影响其在实际应用中的表现。

本文还将对碳量子点在生物成像、光电器件、药物传递和环境污染治理等领域的应用进行详细介绍，并展望其未来的发展趋势和挑战。

通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个关于碳量子点制备及性能研究的全面视角，并激发更多科研工作者对这一领域的兴趣和热情，共同推动碳量子点在纳米科技领域的发展和应用。

二、碳量子点的制备方法碳量子点的制备方法多种多样，主要包括自上而下法（Top-Down）和自下而上法（Bottom-Up）两大类。

自上而下法主要是通过物理或化学方法将大尺寸的碳材料（如石墨、碳纳米管等）剥离成小的碳量子点。

这些方法包括激光烧蚀法、电弧放电法、电化学氧化法等。

这些方法制备的碳量子点通常具有较好的结晶性和稳定性，但尺寸分布较宽，制备过程可能涉及高温或高压，操作条件较为苛刻。

自下而上法则是通过小分子前驱体的热解、水解或化学合成等方式，逐步生长成碳量子点。

常用的方法有热解法、水热法、模板法、微波法等。

这些方法制备的碳量子点尺寸较为均匀，可以通过改变前驱体或反应条件来调控碳量子点的结构和性质。

自下而上法制备过程相对温和，操作简便，有利于实现大规模生产。

除了上述两类方法外，还有一些新兴的制备方法，如超声剥离法、溶剂热法、表面功能化法等。

碳量子点综述胡东旭 2014级环境工程卓越班 201475050112摘要:碳量子点(CQDs, C-dots or CDs)是一种新型的碳纳米材料，尺寸在10 nm以下，具有良好的水溶性、化学惰性、低毒性、易于功能化和抗光漂白性、光稳定性等优异性能，是碳纳米家族中的一颗闪亮的明星。

最近几年的研究报道了各种方法制备的CQDs在生物医学、光催化、光电子、传感等领域中都有重要的应用价值。

这篇综述主要总结了关于CQDs的最近的发展，介绍了CQDs的合成方法、物理化学性质以及在生物医学、光催化、环境检测等领域的应用。

1 引言在过去的20年间，鉴于量子点特殊的性质，尤其是量子点相对于有机染料而言，容易调节的光学性质和抗光降解性质，使量子点得到了广泛的关注。

如果量子点可以克服造价昂贵、合成条件严格和众所周知的高毒性等缺点，则有望广泛地应用于生物传感和上物成像领域。

最近几年，量子点的研究非常活跃，尤其是关于它在生物和医学中的应用。

量子点一般是从铅、镉和硅的混合物中提取出来的，但是这些材料一般有毒，对环境也有危害。

所以科学家们开始在一些良性化合物中提取量子点。

因此，很多的研究均围绕着合成毒性更低的其它材料量子点来进行，这些替代材料的碳量子点，如硅纳米粒子、碳量子点均具有优异的光学性质。

相对金属量子点而言，碳量子点无毒害作用，对环境的危害很小，制备成本低廉。

它的研究代表了发光纳米粒子研究进入了一个新的阶段。

2 碳量子点的合成大多数的碳量子点主要是由无定形的碳到晶化的碳核组成的以sp2杂化为主的碳，碳量子点的晶格间距和石墨碳或者无定形层状碳的结构一致。

如果没有其他修饰试剂的修饰碳量子点表面会含有一些含氧基团，而含氧基团的多少和种类与实验条件相关。

发光碳量子点的合成方法可以分为两大类（图一），化学法和物理法。

图一碳量子点的制备方法2.1化学法2.1.1电化学法Zhou利用离子液体辅助电解高纯石墨棒和高温热解纯定向石墨(HOPG)于离子液体和水溶液中，通过控制离子了液体中水的含量得到不同荧光性质的荧光纳米粒子、纳米带、石墨等产物。

碳量子点的合成及其应用摘要：碳量子点具有良好的光学性质，是一种零维碳纳米材料，多种方式合成制备出的碳量子点粒径尺寸分布均匀，分散性良好，水溶性也较好，碳量子点的应用也非常广泛，在医学领域，化学合成，环境改善方面等都有很好的应用。

关键词：碳量子点；合成引言近年来，碳量子点（CQDs）作为一种新型发光体材料，它不仅具有一定的发光特性，而且也具有光稳定性。

更重要的是，碳量子点不像其它的难溶物质，它的溶解性较好，在水溶液或者其它溶剂中都有较好的溶解性。

在化学检测和合成方面，碳量子点可以功能化，因其优点众多，碳量子点受到了广泛的关注。

不仅如此，碳量子点表面含有大量的基团，例如羟基和羧基等，可以和多种物质进行合成，使它具有水溶性和生物相容性。

碳量子点表面的含氧基团更是为检测水体和土壤中的重金属提供了路径。

碳量子点还具有荧光特性，它的荧光性质为各种传感器提供了有力条件，可以用来检测各种金属或者非金属离子。

碳量子点的发现，可以追溯到2004年。

Xu等人[1]在使用电弧放电法分离纯化单壁碳纳米管的过程中，意外发现了一种新型的纳米级荧光材料，这是碳量子点的最早的发现。

之后Sun等人[2]在2006年用 Nd:YAG激光对石墨和水泥的混合物进行激光刻蚀，然后对其表面进行钝化，制备出了纳米尺寸的碳类似物，并称之为碳点。

目前碳量子点的制备方法可分为两大类：“自上而下”和“自下而上”。

“自上而下”主要包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学法和强酸氧化法等。

“自下而上”包括溶剂热合成法、微波合成法、模板法、燃烧法等。

同时碳点在化学传感器、生物成像、药物载体、指纹识别、光治疗技术等方面有实际的用途。

下面对碳点的合成方法和具体的应用领域进行简单的介绍。

一、碳量子点的合成方法1.“自上而下”法。

（1）电弧放电法人们最先发现的碳点，就是使用电弧放电的方法合成的。

在2004年，Xu等人[1]在制备单壁碳纳米管(SWCNTs)时，发现了具有荧光的碳纳米材料，得到了三种粒子，他们利用电弧放电引入羧基官能团，达到增强水溶性的目的，然后用氢氧化钠来提取沉淀物，后进行分离纯化时，发现制备出的碳量子点在365 nm处，能够出现三种颜色的荧光：蓝绿色、黄色、橙色。

碳量子点复合材料综述-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：碳量子点是一种新兴的纳米材料，其具有优良的光电性能和化学稳定性，被广泛应用于生物医学、光电器件、传感器和催化等领域。

碳量子点复合材料是将碳量子点与其他功能性物质结合，形成具有更强特性和性能的复合材料。

本文将综述碳量子点复合材料的研究现状、应用前景和存在的挑战，旨在为碳量子点复合材料领域的研究提供参考和启发。

内容文章结构如下：第一部分为引言，介绍了碳量子点复合材料的背景和意义，包括概述、文章结构和目的。

第二部分是正文，包括碳量子点的概念与特性、碳量子点在材料科学中的应用以及碳量子点复合材料的研究进展。

第三部分是结论，主要讨论碳量子点复合材料的潜在应用、挑战与展望以及对整个文章进行总结。

}}}}请编写文章1.2 文章结构部分的内容1.3 目的本文的主要目的是系统地综述碳量子点复合材料的最新研究进展，探讨其在材料科学领域中的重要应用和潜在价值。

同时，分析当前碳量子点复合材料在技术应用上的挑战和存在的问题，以及未来发展的展望和方向。

通过本文的撰写，旨在为相关领域的研究者提供一个全面的了解碳量子点复合材料的综合性指南，促进该领域的进一步发展和创新。

内容2.正文2.1 碳量子点的概念与特性碳量子点是一种纳米级别的碳材料，具有类似于半导体量子点的特性，其尺寸通常在1-10纳米之间。

碳量子点具有许多独特的物理和化学特性，例如量子尺寸效应、较高的比表面积、优异的光学性能和化学稳定性。

在碳量子点的结构中，通常包含着碳原子和功能性基团（如羟基、羧基、氨基等），这些功能性基团赋予碳量子点不同的性质和应用潜力。

碳量子点具有优异的光电性能，如高荧光量子产率、宽光谱吸收和发射范围，以及可调控的光学性能。

碳量子点还具有较高的化学稳定性和生物相容性，使其在生物医学领域中受到广泛关注。

此外，碳量子点的表面功能化也为其在传感器、光催化、药物传递等领域的应用提供了可能。

总的来说，碳量子点作为一种新兴的碳材料，具有丰富的潜在应用，并在材料科学领域中展现出巨大的应用前景。

荧光碳点的制备和性质及其应用研究进展一、本文概述荧光碳点，作为一种新兴的碳纳米材料，近年来在科研领域引起了广泛关注。

由于其独特的光学性质、良好的生物相容性、易于表面功能化以及出色的稳定性，荧光碳点在生物成像、药物递送、传感器以及光电器件等领域展现出巨大的应用潜力。

本文旨在全面概述荧光碳点的制备方法、基本性质以及最新的应用研究进展。

我们将首先介绍荧光碳点的合成策略，包括自上而下和自下而上的主要方法，并讨论其结构、光学特性及稳定性等基本性质。

接着，我们将综述荧光碳点在生物成像、药物递送、传感器、光电器件等领域的应用案例和最新研究进展。

通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个关于荧光碳点全面而深入的了解，为其在科研和实际应用中的进一步发展提供有益的参考。

二、荧光碳点的制备方法荧光碳点（Carbon Dots，简称CDs）作为一种新兴的纳米材料，因其独特的光学性质、良好的生物相容性和环境友好性，在生物成像、传感、光电器件等领域展现出巨大的应用潜力。

近年来，荧光碳点的制备方法得到了广泛的研究和发展。

自上而下法：自上而下法主要通过物理或化学手段将大尺寸的碳材料（如石墨、碳纳米管等）剥离或切割成纳米尺寸的碳点。

例如，激光烧蚀法就是利用高能量的激光束照射碳源，使其瞬间蒸发并冷凝形成碳点。

这种方法制备的碳点通常具有较好的结晶性和均一性，但设备成本较高，产率较低。

自下而上法：自下而上法则是通过化学反应，如热解、水热、微波等，使小分子碳源（如柠檬酸、葡萄糖等）发生碳化并聚集形成碳点。

这种方法操作简单，原料易得，因此在实际应用中更为常见。

例如，水热法就是在高温高压的条件下，使碳源发生碳化并生成碳点。

这种方法制备的碳点通常具有丰富的表面官能团，易于进行后续的修饰和功能化。

模板法：模板法是利用具有特定形貌和结构的模板材料，通过物理或化学手段将碳源填充到模板的孔道或空腔中，然后去除模板，得到具有特定形貌和结构的碳点。

这种方法可以精确控制碳点的尺寸和形貌，但制备过程较为复杂，且需要去除模板，可能引入杂质。

碳量子点的制备、性能及应用研究进展一、本文概述随着纳米科技的飞速发展，碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）作为一种新兴的碳纳米材料，近年来引起了广泛的关注。

本文旨在全面综述碳量子点的制备技术、物理化学性能及其在各个领域的应用研究进展。

我们将介绍碳量子点的基本结构、性质和制备方法，包括自上而下和自下而上两大类方法。

然后，我们将重点讨论碳量子点在光学、电学、磁学等多方面的性能，并探讨其性能优化策略。

我们将综述碳量子点在生物成像、药物递送、光电器件、环境科学等领域的应用现状和发展前景。

通过本文的阐述，希望能够为碳量子点的进一步研究和应用提供有益的参考。

二、碳量子点的制备方法碳量子点的制备方法多种多样，主要包括自上而下（Top-Down）和自下而上（Bottom-Up）两大类方法。

自上而下法：这种方法通常利用物理或化学手段，将较大的碳材料（如石墨、碳纳米管等）破碎成纳米尺寸的碳量子点。

常见的物理方法包括激光烧蚀、电弧放电和球磨等，而化学方法则主要包括酸氧化、电化学氧化和热处理等。

自上而下法的优点是可以大规模制备，但制备过程中可能会引入杂质，影响碳量子点的纯度和性能。

自下而上法：这种方法则是以小分子为前驱体，通过化学反应或热解等方法，合成出碳量子点。

常见的前驱体包括柠檬酸、葡萄糖、乙二胺等有机物，以及二氧化碳、甲烷等无机物。

自下而上法的优点是可以精确控制碳量子点的尺寸、结构和表面性质，制备出的碳量子点纯度高、性能稳定。

但这种方法通常需要较高的反应温度和较长的反应时间，制备成本较高。

近年来，研究者们还开发了一些新型的制备方法，如微波辅助法、超声法、模板法等。

这些方法结合了自上而下和自下而上的优点，既可以实现大规模制备，又可以精确控制碳量子点的性质。

随着纳米技术的不断发展，研究者们还在探索利用生物方法制备碳量子点，如利用微生物、植物提取物等作为前驱体，通过生物合成的方式制备出具有特殊性能的碳量子点。

碳量子点的用途
碳量子点是一种具有许多特殊性质的纳米材料，因此在许多领域都有广泛的应用。

以下是碳量子点的一些主要用途：
1. 生物荧光标记：碳量子点具有优异的荧光性能，可以作为生物标记物用于细胞成像、癌症诊断和药物递送。

2. 光电器件：碳量子点的导电性能和光电转换效率高，可以用于制造太阳能电池、光电传感器和光电器件等。

3. 催化剂：碳量子点作为催化剂可以用于催化氧化还原反应和电化学反应等。

4. 生物医学材料：由于碳量子点具有优异的生物相容性和低毒性，可以用于生物医学材料的制备，如药物传递、组织工程和生物传感器等。

5. 环境监测：碳量子点可以用于监测环境中的有害物质，如重金属、有机污染物和微生物等。

总之，碳量子点具有广泛的应用前景，可以用于医学、能源、环境和材料等多个领域。

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摘要碳量子点（CQDs）作为一种新型的纳米碳材料，具有优异的光致发光性、良好的水溶性、生物低毒性以及光诱导电荷转移等性质，在光电催化、生物传感、重金属离子检测、锂离子电池等领域引起广泛关注。

本研究基于低共熔溶剂（DESs）采用水热法和燃烧法，制备了金属掺杂CQDs（M@CQDs）和非金属掺杂CQDs，并考察了Cu@CQDs的光催化特性。

研究内容如下：1）分别采用水热法和燃烧法，以十二烷基二甲基甜菜碱和D-果糖合成的DES 作为碳源，硅酸四乙酯作为硅源，制备Si@CQDs。

当DES物质的量配比为1:1，水热温度为200℃，反应时间为12h时，制备出的Si@CQDs分散性好，粒径均一，尺寸约为5nm，表面含有C-N键和C=O键。

以燃烧法合成的Si@CQDs发生簇集现象，粒径均在2.5nm左右。

2）以丙三醇、氯化胆碱、二水合氯化铜（六水合氯化钴、氯化锌）作为原料合成的金属配体DESs作为前驱物，采用水热法和燃烧法制备三种M@CQDs，分别为Cu@CQDs、Co@CQDs、Zn@CQDs。

在Cu@CQDs的制备过程中，当原料物质的量配比为5:1:1，水热温度为220℃，时间24h时，制备的Cu@CQDs荧光性能较好，在356nm紫外照射下发蓝绿色光，且具有反-斯托克斯效应。

采用燃烧法制备的Cu@CQDs，当制备温度为300℃，时间3h时，铜掺杂率较高，粒径在2~5nm之间，具有良好的电子运输能力。

3）以燃烧法制备的Cu@CQDs作为光催化剂。

Cu@CQDs表面富含亲水性官能团和纳米氧化亚铜，赋予其优良的光催化性能。

对于原料物质的量配比为2~4:1:1制备的Cu@CQDsⅡ~Ⅳ，在可见光照射下降解罗丹明-B（RhB）水溶液，研究其光催化特性。

结果表明Cu@CQDs表现出优异的光催化性能，对于RhB降解率达到95%。

关键词低共熔溶剂；水热法；燃烧法；掺杂性碳量子点；光催化；罗丹明-BIAbstractAs a new type of nano carbon material, carbon quantum dots (CQDs) show excellent photoluminescence, good water solubility, low biological toxicity, and photoinduced charge transfer. These properties have attracted extensive attention in the fields of photocatalysis, biosensor, heavy metal ion detection, and lithium ion battery. Based on deep eutectic solvents (DESs), two sorts of metal/non-metal doped CQDs were prepared by using hydrothermal method and combustion method. The photocatalytic performance ********************************************************:1)The silicon doped carbon quantum dots (Si@CQDs) were compound by hydrothermal method and combustion method respectively. The DES was used as carbon source which was synthesized by lauryl betaine and D-fructose. And tetraethyl silicate was used as silicon source. The preparation effect of Si@CQDs was better with the molar ratio of 1:1. The corresponding hydrothermal temperature and time were 200℃ and 12h. It was found that the as-prepared Si@CQDs showed uniform size and good dispersion with average particle size of 5nm. The surface of Si@CQDs contained C-N and C=O functional groups. Then the Si@CQDs was synthesized by the combustion method. The average particle size of as-prepared Si@CQDs was 2.5nm, which aggregated nanoclusters in aqueous solution.2)Three kinds of metal doped carbon quantum dots (M-CQDs) were prepared by hydrothermal method and combustion method. They were Cu@CQDs, Co@CQDs, and Zn@CQDs, respectively. To prepare Cu@CQDs, the metal ligand DES was synthesized by glycerol, choline chloride and copper dichloride as precursors. The molar ratio of raw materials was 5:1:1. When the hydrothermal temperature and time were set as 220℃ and 24h, the Cu@CQDs exhibited better fluorescence performance, anti-Stokes effect, and emit blue-green photoluminescence under UV excitation. The Cu@CQDs prepared by the combustion method possessed higher copper doping rate when the preparation temperature and time were 300°C and 3h, respectively. The range of particle size distribution was from2 to 5nm with good electron transport function.3)The as-prepared Cu@CQDs by combustion method were used as photocatalysis. The surface of Cu@CQDs contained hydrophilic functional groups and nano-copper compounds, which showed excellent photocatalytic properties. Rhodamine-B (RhB) aqueous solution was irradiated under visible light, and photocatalytic performance ofIIICu@CQDsⅡ~Ⅳwas studied. The results revealed that Cu@CQDs performed excellent photocatalytic performance with the RhB degradation rate of 95%.Key words Deep eutectic solvents；Hydrothermal method；Combustion method；Doped carbon quantum dots；Photocatalysis；Rhodamine BIV目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................... I II 第1章绪论. (1)1.1 引言 (1)1.2 碳纳米材料 (1)1.2.1 碳纳米材料概要 (1)1.2.2 碳纳米材料表征手段 (1)1.3 碳量子点简介 (2)1.3.1 碳量子点概要 (2)1.3.2 碳量子点性质 (2)1.3.3 碳量子点的制备方法 (3)1.4 碳量子点的应用 (3)1.5 掺杂性碳量子点的合成及应用 (4)1.6 研究内容 (5)第2章硅掺杂碳量子点的研究 (7)2.1 实验材料与方法 (7)2.1.1 试剂与仪器 (7)2.1.2 低共熔溶剂的合成 (8)2.1.3 硅掺杂碳量子点的制备 (8)2.1.4 表征方法 (9)2.2 实验结果与讨论 (10)2.2.1 低共熔溶剂的性能表征 (10)2.2.2 水热法制备硅掺杂碳量子点 (14)2.2.3 燃烧法制备硅掺杂碳量子点 (19)2.3 本章小结 (19)第3章金属掺杂碳量子点的研究 (21)3.1 实验材料与方法 (21)3.1.1 试剂与仪器 (21)3.1.2 金属配体低共熔溶剂的合成 (22)3.1.3 水热法制备金属掺杂碳量子点 (22)3.1.4 燃烧法制备金属掺杂碳量子点 (22)V3.2 实验结果与讨论 (23)3.2.1 金属配体低共熔溶剂性能表征 (23)3.2.2 金属掺杂碳量子点的结构表征 (25)3.2.3 铜掺杂碳量子点的光学性能表征 (27)3.2.4 制备方法对比 (32)3.3 本章小结 (32)第4章铜掺杂碳量子点的光催化性能研究 (33)4.1 实验材料与方法 (33)4.1.1 试剂与仪器 (33)4.1.2 吸附性能实验 (34)4.1.3 光催化实验 (34)4.2 实验结果与讨论 (34)4.2.1 铜掺杂碳量子点的吸附性能研究 (34)4.2.2 铜掺杂碳量子点的光催化性能研究 (36)4.3 本章小结 (41)结论 (43)参考文献 (45)攻读硕士学位期间所发表的论文和专利 (51)致谢 (53)VI第1章绪论1.1引言随着工业迅速发展以及生活物质水平的提高，环境问题已逐渐成为人们关注的焦点。

铜掺杂碳量子点的制备及荧光检测的应用摘要：以柠檬酸为碳源，甲酰胺和CuCl2为掺杂剂，利用了简易快捷的水热法制备铜掺杂碳量子点（Cu-CDs）。

实验结果表明，Cu-CDs可作为一种具有高灵敏度的化学传感器，且它在较宽的温度和pH值范围内都表现出良好的稳定性。

所制备的Cu-CDs具有优异的过氧化物酶活性。

在H2O2溶液存在的情况下，波长不同，其荧光强度也不同，说明Cu-CDs对H2O2具有比率荧光响应。

基于内滤效应，可以建立起H2O2高灵敏度比率荧光检测，检测限为5.0 nM。

关键词：碳量子点；水热法；比率荧光法；H2O2检测1.引言碳量子点（CQDs）因其具有优良的荧光稳定性且无毒性、原材料来源广泛、制备方法多样等优势，在化学领域起的作用愈发重要[1]。

它作为一种新型“零维”碳纳米材料，可应用于生物成像、药物载体、环境治理、金属离子检测与传感等领域[2-4]。

用于制备碳量子点的碳源丰富多样、易取低廉且易于修饰，所以碳量子点的应用更加广泛和方便。

但为了更好地控制碳量子点的横向尺寸及表面化学，明确发光机制，扩大了碳量子点的实际应用，前辈们开始探索将杂原子掺杂到碳量子点当中，以便其提高性能和扩宽应用领域[5]。

制备碳量子点方法可分为两大类：一为自上而下法，二为自下而上法。

自上而下法是指通过物理或者化学的途径将大尺寸的碳材料裂解成小尺寸的CQDs；自下而上法则是指通过利用有机小分子或碳水化合物作为碳源，通过一系列的化学反应来获取我们所需要的CQDs[6]。

H2O2是一种常见的生物化学分子，不仅在日常生活和工业生产中有很多用途，而且在调节癌变和衰老的各种生物过程中发挥着重要的作用。

但由于H2O2沸点过高，因此对于使用过H2O2的食物煮熟后，仍然还会存留H2O2，则细胞内H2O2紊乱或积聚轻则会引起反胃、拉肚等不适反应，重则引发帕金森病、阿尔茨海默病、心肌梗死和癌症等疾病[7]。

因此，开发具有足够灵敏度的新型探针来监测H2O2对临床诊断和生物医学研究越来越重要。

铈掺杂碳量子点的应用领域全文共四篇示例，供您参考第一篇示例：铈掺杂碳量子点是一种具有广泛应用前景的新型纳米材料。

作为一种新型的碳基半导体材料，铈掺杂碳量子点在光电子器件、生物成像、传感器、催化剂等领域都具有极大的应用潜力。

本文将从这几个方面展开，介绍铈掺杂碳量子点在各个领域的应用前景。

一、光电子器件领域铈掺杂碳量子点作为一种新型的发光材料，具有优异的光电性能，因此在光电子器件领域有广泛的应用前景。

铈掺杂碳量子点可以作为发光二极管的发光层材料，其窄带发光特性使其能够发出纯净的单色光，因此在显示技术领域具有潜在的应用前景。

铈掺杂碳量子点还可以用作光电探测器的敏感层材料，其高灵敏度和快速响应速度使其能够应用于光通信、光电子测量等领域。

二、生物成像领域铈掺杂碳量子点还具有优异的生物相容性和生物标记特性，因此在生物成像领域有着广泛的应用潜力。

铈掺杂碳量子点可以作为荧光探针用于细胞成像和组织成像，其窄带发光特性和荧光稳定性使其能够实现高对比度的生物成像。

铈掺杂碳量子点还可以用于生物标记和药物传递系统，其良好的生物相容性和抗光漂白性能使其能够在生物医学领域发挥重要作用。

三、传感器领域由于铈掺杂碳量子点具有优异的光电性能和化学稳定性，因此在传感器领域有着广泛的应用前景。

铈掺杂碳量子点可以用作化学传感器的灵敏层材料，其在气体、液体等环境中对特定化学物质的高灵敏度和选择性使其能够实现高效的化学检测。

铈掺杂碳量子点还可以用于生物传感器的敏感层材料，其对生物分子的特异性识别和快速响应使其能够实现高灵敏的生物检测。

四、催化剂领域铈掺杂碳量子点具有丰富的表面活性位点和优异的电子传输性能，因此在催化剂领域有着广泛的应用前景。

铈掺杂碳量子点可以用作电催化剂用于水分解和CO2还原等反应，其高效的电催化性能使其能够实现清洁能源的转化和利用。

铈掺杂碳量子点还可以用于光催化剂用于光催化降解有机污染物和光催化制氢等反应，其优异的光催化性能使其能够实现环境污染治理和可持续能源的开发利用。

碳量子点的制备方法碳量子点是一种由纳米尺度的碳材料组成的量子结构，具有很小的颗粒尺寸和优异的光电性能，被广泛应用于生物荧光探针、光电器件等领域。

以下是几种常见的碳量子点制备方法。

1.碳化物热分解法碳化物热分解法是一种简单的碳量子点制备方法。

首先，选择一种含碳化合物（如葡萄糖、脲）作为碳源，通过加热分解产生碳量子点。

反应一般在高温下进行，可以使用热分解、微波辐射、激光辐射等方法。

这种方法制备的碳量子点通常尺寸分布较广，但具有良好的荧光性能。

2.碳化硅模板法碳化硅模板法是一种利用碳化硅模板孔道的方法制备碳量子点。

首先，制备一块具有规则孔道的碳化硅模板。

然后，通过化学气相沉积、热解等方法，将碳源气体（如甲烷、丙烷）向模板中输入，使碳源在孔道中沉积形成碳量子点。

最后，使用酸性或碱性溶液将模板腐蚀掉，得到纳米尺度的碳量子点。

这种方法制备的碳量子点尺寸分布较窄，形状规则，并且可以通过调节模板孔径来控制碳量子点尺寸。

3.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种利用溶胶和凝胶过程制备碳量子点的方法。

首先，选择适当的有机物溶剂（如乙醇、水）作为溶胶，加入碳源（如葡萄糖），形成均匀的溶液。

然后，通过超声处理、加热等方法使溶胶逐渐形成胶体凝胶。

最后，将胶体凝胶烘干或烧结，得到固体的碳量子点。

这种方法制备的碳量子点具有较高的量子产率和量子效率，并且可以通过调节反应条件和碳源种类来控制其光电性能。

4.激光刻蚀法激光刻蚀法是一种利用激光照射溶液中的碳微粒，形成碳量子点的方法。

首先，准备一种含有碳微粒的溶液，通常选择含有碳纳米管或者石墨烯的溶液。

然后，使用紫外激光、飞秒激光等高能激光照射溶液，使碳微粒发生光热效应瞬间加热，形成碳量子点。

这种方法制备的碳量子点尺寸较小，并且具有较好的荧光性能。

以上是几种常见的碳量子点制备方法，其中每种方法都有其特点和适用范围。

未来随着技术的进一步发展，碳量子点制备方法也将变得更加多样和高效。

碳量子点（Carbon Quantum Dots，简称CQDs）是一种具有纳米级尺寸的碳基纳米材料。

它们具有许多独特的性质和应用，包括在防腐领域中的应用。

碳量子点在防腐腐蚀中的应用主要基于以下原理：
1. 抑制金属电化学反应：碳量子点可以在金属表面形成保护性的覆盖层，阻止金属与氧、水等导致腐蚀的物质发生接触。

这种覆盖层可以减少金属的电化学反应，从而抑制腐蚀的发生。

2. 提供屏障保护：碳量子点具有纳米级的尺寸，可以形成紧密的屏障结构，阻止外界的物质和湿气进入金属表面，减少腐蚀的机会。

3. 电子转移能力：碳量子点具有良好的电子传输性质，可以在金属表面形成电子转移层，从而促进金属表面的电子传输过程，提高金属的抗腐蚀能力。

4. 氧化还原反应抑制：碳量子点具有很强的氧化还原能力，可以与氧化剂反应并还原，从而减少金属表面的氧化反应，降低腐蚀的发生。

总的来说，碳量子点在防腐领域中的应用通过形成保护性的覆盖层、提供屏障保护、促进电子传输和抑制氧化还原反应等机制，有效地减少金属腐蚀的发生。

这使得碳量子点在金属防腐和涂层材料中具有潜在的应用前景。

碳量子点的制备制备碳量子点的碳源一般有两种类型，分别为有机碳和无机碳。

碳量子点制备方法大致分为物理法和化学法。

其中物理法可分为电弧放电法和激光刻蚀法等。

化学法包括电化学法、微波法、水热法、化学氧化法等。

Baker将碳量子点的制备方法总结为两种：通过物理或者化学方法将大尺寸的碳材料切割成小尺寸碳量子点的自上而下法，主要包括化学氧化、水热或溶剂热合成切割，电化学剥离和激光烧蚀等方法从大部分石墨材料形成碳量子点。

自上而下法自上而下制备方法简单，过程不复杂，但是可能会需要一些高昂的设备，无法普及制备；还有一种是将小分子作为原材料通过一系列的化学合成制备成小尺寸的碳量子点，将原材料氧化或热处理，经过一系列的制备工艺，得到碳量子点，主要有热解法，微波法等方法制备碳量子点。

虽然以上提到的方法都可以用于CQDs 的合成，但它们大多涉及复杂的工艺、耗时(最多 3 天)、昂贵的起始材料或严格的实验要求。

正是如此，碳量子点在分析化学中的应用有限，无法大规5模生产。

（1）电弧放电法。

电弧放电法是 2004 年 Scrivens 等在对电弧放电法制备的单壁碳纳米管进行分离纯化时，意外发现了一种发荧光的碳纳米颗粒，便是最初发现 CQDs 的方法过程。

制备过程是，先用浓硝酸对烟灰进行氧化处理，在其表面引入大量羧基使之具有良好的亲水性。

然后用 NaOH 溶液（pH = 8.4）萃取沉淀，得到稳定的黑色悬浮液。

用凝胶电泳对悬浮液进行分离得到三种产物，分别为：单壁碳纳米管、短而无规则的碳管和CQDs。

然后将CQDs 进一步分离得到三个电泳带，即三种CQDs。

这三种CQDs 具有不同的粒径和荧光发射特性。

电弧放电法制得的CQDs 虽然荧光性能较好，但量子产率极低，而且纯化过程繁琐，产量也低，因此该法较少使用。

（2）激光消蚀法。

激光消蚀法是指激光束照射碳靶，从碳靶上剥落出碳纳米颗粒，再合成荧光 CQDs 的方法。

Sun 等首次用该方法成功合成了CQDs。

量子点制备方法量子点制备方法2012-12-03 19:30:30| 分类：科普专区| 标签：量子点|字号订阅经过十余年的不断改进，迄今建立了多种量子点的制备方法，主要有物理方法和化学方法，以化学方法为主。

目前，量子点的软化学制备方法有两种：一种是采用胶体化学的方法在有机体系中合成，另一种是在水溶液中合成。

一、金属有机相合成法量子点的研究是20世纪90年代最早从镶嵌在玻璃中的CdSe量子点开始的。

CdSe纳米晶体的制备是一个最成功的例子。

1993年，Bawendi等第一次使用二甲基镉(Cd(CH3)2)、三辛基硒化膦(SeTOP)作为前体，三辛基氧化膦(TOPO)作为配位溶剂，合成了高效发光的硒化镉(CdSe)量子点，由于CdSe纳米颗粒不溶于甲醇，可以加入过量甲醇，通过离心分离得到CdSe纳米颗粒，其量子产率约为10％。

后来，研究者们发现在量子点的表面包覆一层无机物使量子点的表面发生钝化的方法可以减小量子点表面缺陷，提高其量子产率和稳定性。

1996年，Hines等以二甲基锌(Zn(CH3)2)和六甲基二硅硫烷((TMS)2S)作为前体，制备出了CdSe／ZnS核壳结构的量子点，其在室温下的量子产率有了显著的提高，可以达到50％。

二、水相直接合成法在水相中直接合成量子点具有操作简便、重复性高、成本低、表面电荷和表面性质可控，容易引入功能性基团，生物相容性好等优点，已经成为当前研究的热点，其优良的性能有望成为一种有发展潜力的生物荧光探针。

目前，水相直接合成水溶性量子点技术主要以水溶性巯基试剂作稳定剂。

近年来又发展了用其它类型试剂做稳定剂制备水溶性量子点的方法，Sondi等用氨基葡聚糖(aminodextran，Amdex)作稳定剂，在室温下合成了CdSe量子点。

多色荧光发射碳量子点的制备及其在金属离子检测中的应用碳量子点是近几年来新兴起来的一类新型碳基荧光纳米材料。

因为具有制备过程简单、光稳定性好、荧光发射可调、低毒性及生物相容性好等诸多优点,所以碳量子点在生物成像、化学传感等众多领域有很大的应用前景。

碳量子点的多色荧光发射可调是保证它在生物成像、化学传感等领域多模态、多功能应用的前提。

然而,目前仍仅有少数研究报道了多色荧光发射可调的碳量子点,而且很少涉及多种离子检测上的探索。

本文通过设计实验不仅制备了多色荧光发射可调的碳量子点而且研究了它们在化学传感领域上的应用。

具体研究内容及成果如下:第一,以间苯二胺作为碳源,首先利用溶剂热法合成碳量子点,然后通过碳量子点浓度的调节,获得了红、绿、蓝三种发光颜色的荧光碳量子点。

红、绿、蓝三种荧光碳量子点的荧光中心对Fe³⁺和Cu²⁺展现了不同的反应模式,Cu²⁺和Fe³⁺分别可使红色和蓝色荧光碳量子点的荧光猝灭;Fe³⁺可使绿色碳量子点的荧光增强。

因此,我们获得的荧光探针实现了对Fe³⁺和Cu²⁺的同时检测。

基于各种表征分析,给出了红、绿、蓝三种碳量子点的荧光发射机制及其金属离子检测的机制。

第二,分别以对氨基酚、邻氨基酚和间氨基酚作为碳源并控制碳化过程,成功制备出了多色荧光碳量子点,发光分别为红、橙、黄、蓝四种颜色。

通过成分表征发现,碳源及碳化过程影响了碳量子点的成分及表面基团,从而改变了碳量子点的荧光发射性质。

把四种不同荧光颜色碳量子点用于金属离子检测,发现Fe³⁺可以使蓝、黄、橙三种荧光碳量子点发生荧光猝灭,并且Fe³⁺对于蓝色荧光碳量子点的猝灭性最强,然后分别是黄和橙色荧光碳量子点。