一种具有高荧光量子产率的金属锰掺杂碳量子点及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种具有高荧光量子产率的金属锰掺杂碳量子点制备方法，包括以下步骤，（1）将碳源和锰源溶解于水中，得到前驱体溶液；（2）将上述前驱体溶液在水热反应釜中反应，然后冷却至室温得悬浊液；（3）分离上述悬浊液，得到溶液；（4）将上述溶液透析干燥，得到金属锰掺杂碳量子点。本发明专利技术在制备金属锰掺杂碳量子点时只需一步反应，不仅成本低，反应速度快，而且副产物和中间产物少；同时所得碳量子点具有高荧光量子产率的特点，同时能够应用在生活饮用水中痕量Hg

Metal manganese doped carbon quantum dot with high fluorescence quantum yield and preparation method and application thereof

The invention provides a high fluorescence quantum yield of manganese doped carbon quantum dots preparation method comprises the following steps: (1) the source of carbon and manganese source dissolved in water to obtain the precursor solution; (2) the precursor solution reaction in hydrothermal reactor, and then cooled to the room temperature suspension; (3) separating the suspension solution; (4) the solution of dialysis dry, metal manganese doped carbon quantum dots. The preparation of metal manganese doped carbon quantum dots in only one step reaction, not only low cost, fast reaction speed, and by-products and intermediate products; at the same time the characteristics of carbon quantum dots with high fluorescence quantum yield, and can be used in the trace in drinking water Hg

【技术实现步骤摘要】
一种具有高荧光量子产率的金属锰掺杂碳量子点及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米材料领域，具体涉及一种具有高荧光量子产率的金属锰掺杂碳量子点及其制备方法和应用。
技术介绍
自2004年Xu等在电泳实验中偶然发现纳米荧光物质，首次报道了荧光碳量子点以来，碳量子点激起了许多研究者的兴趣，这主要是因为碳量子点具有原料来源易得、制作成本低、合成时间短、反应快速、细胞毒性低、生物相容性良好、环境危害小等优点；从而可以作为半导体量子点的替代物。碳量子点较好的光学性能和荧光稳定性成功的运用在在离子检测、污水处理、细胞成像等领域；近几年研究者们借助碳量子点的能带结构和紫外可见吸收等性质将它在降解有机染料、燃料电池等方面也获得了较大的研究成果，同时它将在光催化产氢等方面也有广阔的应用前景。碳量子点合成方法主要分为自上而下和自下而上，其中自上而下方法主要包括电弧放电法、激光刻蚀法、激光刻蚀法，它是将纳米金刚石、石墨、碳纳米管、活性炭、氧化石墨等大颗粒物通过上述三种方法合成出直径小于10nm的球形纳米颗粒物；自下而上方法主要有微波法、热解燃烧法、模板法、超声波法和水热合成等，它的合成主要是将柠檬酸盐、碳水化合物等盐溶液通过以上五种方法合成出纳米颗粒物。水热合成碳量子点具有成本低，安全性高，水溶性好，分散均匀等特点在合成方法的选取上被人们广泛的采纳。目前水热法研究主要集中在非金属元素掺杂合成碳量子点：即氮掺杂、硫掺杂、磷掺杂等，而金属掺杂合成碳量子点报道较少。研发金属掺杂碳量子点已成为目前亟待解决的问题，而锰金属元素具有价态多，有利于价态到导帶的传导过程，这将有助于合成高量子产率，强荧光效果，紫外-可见吸收效果佳的碳量子点，有望应用在光催化领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在金属掺杂碳量子点产率低的上述不足，提供一种具有高荧光量子产率的金属锰掺杂碳量子点。本专利技术通过锰原子掺杂来改变碳量子点内部的能带结构，从而制备得到一种具有高荧光量子产率的碳量子点，并将其用于Hg2+检测为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种金属锰掺杂碳量子点的制备方法，所述方法包括以下步骤：（1）将碳源和锰源溶解于水中，得到前驱体溶液；（2）将上述前驱体溶液在水热反应釜中反应，然后冷却至室温得悬浊液；（3）分离上述悬浊液，得到溶液；（4）将上述溶液透析干燥，得到金属锰掺杂碳量子点。本专利技术采用水热法进行锰掺杂碳量子点的制备，其只需一步反应，反应速度较快，而且副产物和中间产物极少，原料用量极少，成本低。本专利技术中，由于锰等金属元素的电子轨道特性，较硫、氮等非金属元素有更加活跃的最外层移动电子，易发生金属性质改变，能够使制得的碳量子点具有更高的荧光量子产率，该碳量子点的发光强度更高。优选地，本专利技术中，步骤（1）所述碳源为柠檬酸钠和/或柠檬酸，所述锰源为碳酸锰。优选地，本专利技术中，步骤（1）所述前驱体溶液中碳源的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L，例如可以是0.01mol/L、0.02mol/L、0.04mol/L、0.06mol/L、0.08mol/L、0.08mol/L、0.1mol/L，最优选为0.1mol/L；所述前驱体溶液中加入锰源的浓度为0.01mol/L～0.5mol/L，例如可以是0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L、0.5mol/L，最优选为0.3mol/L；所述前驱体溶液中柠檬酸在碳源中的摩尔比例为1：3～1:10，例如可以是1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10，最优选为1:5。申请人经过大量的研究和实验发现，通过将柠檬酸钠的浓度固定，改变碳酸锰和柠檬酸的加入量来获得高荧光量子产率的碳量子点。当柠檬酸的加入量在碳源中的摩尔比例小于1:10的时候，由于溶液的pH值较高，不能对碳酸锰起到较好的水解作用；当柠檬酸的加入量在碳源中的摩尔比例大于1:3的时候，由于溶液的pH值降低，酸性变高，也不利于合成高量子产率的碳量子点；而当柠檬酸的加入量在碳源中的摩尔比例等于或者近似于1:3g的时候碳量子点的荧光强度和荧光量子产率出现峰值。同理，当碳酸锰的浓度小于0.01mol/L的时候，由于锰源的不足，不足以合成较高产率的碳量子点；当碳酸锰的加入量大于0.5mol/L的时候，荧光量子产率和荧光强度会出现较平稳的状态，这样一来可以选择碳酸锰的加入量为0.3mol/L，既可以确保合成高产率的荧光碳量子点，又可以做到原料的节俭。本专利技术中，步骤（1）所述溶液为完全溶解。本专利技术中所述水热反应釜为聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜。优选地，本专利技术中，步骤（2）所述反应温度为160～240℃，例如可以是160℃、170℃、180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、220℃、240℃，更优选为180℃～220℃。在该温度范围内均能合成具有荧光性能的锰掺杂碳量子点。优选地，本专利技术中，步骤（2）所述反应时间为0.5～10h，例如可以是30min、1h、1.5h、2h、3h、4h、6h、8h、10h，最优选为2h。优选地，本专利技术中，步骤（3）所述分离采用分离过滤器进行。优选地，所述分离过滤器为圆筒形膜分离过滤器。进一步优选地，所述圆筒形膜分离过滤器为截留分子量3kDa、5kDa、10kDa或30kDa中的任意一种或者至少两种的组合。优选地，本专利技术中，步骤（4）所述干燥在真空条件下进行。优选地，所述干燥的温度为-100～100℃，例如可以是-100℃、-90℃、-80℃、-60℃、-40℃、-20℃、20℃、50℃、80℃、100℃；干燥的时间为4～48h，例如可以是4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h。作为本专利技术优选的技术方案，所述金属锰掺杂碳量子点的制备方法包括如下步骤：（1）向柠檬酸钠溶液中分别加入柠檬酸和碳酸锰，得到前驱体溶液；（2）将上述前驱体溶液在水热反应釜中反应30min以上，然后自然冷却至室温得悬浊液；（3）用圆筒形膜分离过滤器分离上述悬浊液，得到溶液；（4）将上述溶液干燥，得到所述金属锰掺杂碳量子点；其中，所述前驱体溶液中柠檬酸钠的浓度为0.1mol/L；柠檬酸在碳源中的摩尔比例为1:4；碳酸锰的浓度为0.3mol/L。第二方面，本专利技术还提供了根据第一方面所述的方法制备得到的金属锰掺杂碳量子点。本专利技术得到的金属锰掺杂碳量子点发光强度高，荧光量子产率高。第三方面，本专利技术还提供了根据第二方面所述的金属锰掺杂碳量子点的用途，将所述金属锰掺杂碳量子点用于Hg2+痕量检测或污水处理。因此，本专利技术提供了如第二方面所述的金属锰掺杂碳量子点用于Hg2+痕量检测或污水处理。因为Hg2+会将碳量子点的荧光淬灭，随后可以加入硫化钠溶液来恢复荧光，得到硫化汞沉淀从而将溶液中的汞离子分离出来。当用于Hg2+检测时，其最低检出限可以达到900pmol/L。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：（1）采用本专利技术的方法制备的锰掺杂碳量子点，只需一步反应，反应速度较快，而且副产物和中间产物极少，原料用量极少，成本低。（2）本专利技术制备得到的锰掺杂碳量子点，其荧光量子产率高，最高可达51%本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属锰掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）将碳源和锰源溶解于水中，得到前驱体溶液；（2）将上述前驱体溶液在水热反应釜中反应，然后冷却至室温得悬浊液；（3）分离上述悬浊液，得到溶液；（4）将上述溶液透析干燥，得到金属锰掺杂碳量子点。

【技术特征摘要】
1.一种金属锰掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）将碳源和锰源溶解于水中，得到前驱体溶液；（2）将上述前驱体溶液在水热反应釜中反应，然后冷却至室温得悬浊液；（3）分离上述悬浊液，得到溶液；（4）将上述溶液透析干燥，得到金属锰掺杂碳量子点。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中碳源为柠檬酸钠和/或柠檬酸，所述前驱体溶液中碳源的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中柠檬酸在碳源中的摩尔比例为1:3～1:10。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中锰源为碳酸锰，所述前驱体溶液中锰源的浓度为0.01～0.5mol/L。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中反应的温度为160～240℃，反应时间为0.5～10h。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中分离采用分离过滤器进行，所述分离过滤器为圆筒形膜分...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡璐璐，闫峻峰，龙恩武，何林，钟建，
申请(专利权)人：四川省人民医院，
类型：发明
国别省市：四川,51