【摘 要】
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碳点(CDs)、石墨烯量子点(GQDs)与贵金属纳米粒子在光/电催化、生物成像、光电器件、疾病诊疗等众多领域均有优异的性质:高催化性能、良好的生物相容性、出色的光稳定性、良好的光热效应等,得到广泛的研究和关注。将这两种材料用化学键紧密结合在一起,充分发挥二者各自的优势,并因此而衍生出全新的性能和应用是本论文的研究重点。本论文首次研究了GQDs/Au纳米复合物的绿色快速制备方法,初步探究了其反应机理
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碳点(CDs)、石墨烯量子点(GQDs)与贵金属纳米粒子在光/电催化、生物成像、光电器件、疾病诊疗等众多领域均有优异的性质:高催化性能、良好的生物相容性、出色的光稳定性、良好的光热效应等,得到广泛的研究和关注。将这两种材料用化学键紧密结合在一起,充分发挥二者各自的优势,并因此而衍生出全新的性能和应用是本论文的研究重点。本论文首次研究了GQDs/Au纳米复合物的绿色快速制备方法,初步探究了其反应机理,指出GQDs在制备纳米金的反应中的三种作用:还原剂、稳定剂和催化剂,并提供了一系列制备GQDs/贵金属纳米复合材料的方法;研究利用纳米金的局域表面等离子共振(LSPR)效应和CDs表面的大量活性官能团,设计了针对咖啡因的可视化分析检测;研究了以天然产物芦丁作为前体,在浓碱溶液中制备碳点的羧酸盐的方法,并制备出非芳环碳点盐,解决了碳点聚集诱导猝灭的问题;研究了碳点应用于防蓝光膜中,制备了首款碳点防蓝光膜。具体研究工作如下:1.分别设计制备了三种GQDs:GQDs-2(加热2 h制备的GQDs)、GQDs-12和少羟基石墨烯量子点(Hp GQDs),设计其与柠檬酸钠组合实验,初步探究了GQDs还原氯金酸生成纳米金的反应机理:GQDs本身可以作为稳定剂,碳核表面的羟基是还原剂,而碳核是催化剂,并且分散在碳核sp~3杂化碳骨架上的sp~2杂化碳在催化过程中起主要作用。进一步研究了溶液p H和GQDs浓度的对反应的影响(选用GQDs-2),结果表明酸性条件不利于反应的进行,sp~2杂化碳会和质子结合并使碳核的催化作用减弱;高浓度的GQDs会使金纳米粒子(Au NPs)中小粒径颗粒比例增加,对大粒径颗粒的影响不大。本研究还总结并提供了一系列制备GQDs/贵金属纳米复合材料的方法。2.利用上述探究的反应原理,加热GQDs-2.5与氯金酸(HAu Cl4)的混合物15 min,一步得到石墨烯量子点功能化的纳米金复合物(GQDs-2.5/Au),获得CDs/Au纳米复合物的绿色制备方法。通过高分辨透视电子显微镜(Hr TEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等对其结构进行表征,表明GQDs能与纳米金很好地结合并形成以Au NPs为核,GQDs为壳的纳米复合物。首次将GQDs/Au溶液用于咖啡因的可视化分析,咖啡因通过氢键与纳米金表面的GQDs相互作用使胶体发生聚集,从而改变溶液颜色:未经处理的GQDs-2.5/Au溶液呈鲜艳的酒红色,当咖啡因浓度为3.2 x 10-6–8.0 x 10-5 M时,酒红色随咖啡随浓度升高而变淡;当加入咖啡因浓度高于2.0 x 10-4 M时则变为蓝色。咖啡因浓度在3.2 x 10-6–4.0 x 10-4 M范围内与GQDs-2.5/Au的紫外吸光值呈良好的线性关系,可以进行定量检测。该方法具有响应速度快、试剂廉价、不受场地限制等特点。3.通常以天然产物为原料水热法制备的CDs存在量子产率低,荧光波长短(绝大部分为蓝光)等问题。本课题中,我们使用天然产物芦丁在1 M的Na OH溶液中水热法制备了表面带Na+的CDs,将该CDs均匀地分散于甲醇中,产生黄色荧光,且量子产率高达21.8%。CDs固体通常会因聚集而发生荧光猝灭的问题。针对此,本课题研究制备了不含有sp~2碳的非芳香CDs,其不会因π-π*堆积而发生荧光淬灭,制备得到的非芳香CDs在固体时依然有较强的荧光。并将该CDs固体分散在环氧树脂中,制备了红光LED灯并对器件做了一系列表征;将PMMA和环氧树脂封存的CDs制备成防蓝光膜,实验表明蓝光转化率与加入CDs的量正相关。并将这两种膜材料与市售的防蓝光手机膜进行比较,从光谱图、光线透过率、蓝光峰高、色坐标(CIE)、色温(CCT)、显色指数(CIR)等几个方面对这些膜材料的性能进行全面的分析。
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