碳量子点是近年来新出现的一种碳纳米材料,论文从碳量子点实际应用的需求出发,在详细论证碳量子点的制备工艺及其影响因素的基础上,筛选或自制合适的碳源,考察碳源、制备工艺等对碳量子点收率和荧光性能的影响。通过HRTEM、SEM、FTIR、XPS、TG、XRD、PL等手段分析碳量子点的微观结构、表面状态、热稳定性、结晶状态及光致发光特性,探索碳量子点的理化特征与其荧光性能之间的关系。并在此基础上,初步尝试了碳量子点在细胞标记上的应用。而基于碳量子点在光催化性能领域的应用前景考虑,本文制备了碳量子点与二氧化钛的复合材料,考察了碳量子点在增强二氧化钛光催化性能中发挥的作用。论文的具体工作如下:(1)以柠檬酸铵为碳源,直接在空气氛围,通过一步低温热解法,可以大量获得荧光碳量子点,碳量子点的平均粒径在6 nm左右,相对荧光量子产率最高达26.1%。碳量子点为一种无定形碳结构,表面富含亲水基团。随着裂解温度的提高,碳量子点的收率和相对荧光量子产率都呈下降趋势。但是与空气氛围热解制得的碳量子点相比,氮气氛围制得碳量子点的荧光量子产率下降相对较为缓慢。可能是由于高纯氮气的保护,同样裂解温度下所得碳量子点具有更丰富的表面官能团。碳量子点具有明显的激发光依赖性,不仅发射光的强度随激发光变化,发射光谱也随激发光波长的增加有红移现象。与空气氛围热解制得的碳量子点相比,同样的激发波长下,高纯氮气氛围热解制得的碳量子点的发射光谱有蓝移现象;而随着激发光波长的增加,氮气氛围热解制得的碳量子点的发射光谱的红移速率相对比较均匀。碳量子点具有良好的水溶性、光稳定性和低细胞毒性,已初步应用于Hep G2细胞的荧光标记,在不同波长光源的激发下,碳量子点在Hep G2细胞内部可发出不同颜色的荧光。柠檬酸的其他铵盐如柠檬酸二氢铵和柠檬酸氢二胺,也可作低温热解法制备碳量子点的碳源,同样条件下,制备的碳量子点的荧光性能与柠檬酸铵接近。(2)以无水柠檬酸为碳源,考察钝化剂和金属元素杂化等对碳量子点组成、结构、荧光性能的影响。Mg-EDA-CDs没有明显团聚,分散非常均匀,碳量子点的粒径也较小,粒径分布较窄,主要分布在0.8-2.8 nm的范围。未掺杂碳量子点也没有明显聚集,分散均匀,碳量子点中没有明显的晶格结构。也即在其他工艺条件相同的情况下,碳源的不同对最终碳量子点的微观形貌没有显著的影响,所得碳量子点主要为无定形碳结构,没有完整、连续的晶体结构。Mg-EDA-CDs的荧光性能极好,其相对荧光量子产率达到83.0%,在自然光下就显示淡蓝色的荧光,而在紫外灯照射后,Mg-EDA-CDs水溶液发出明亮的蓝色荧光。同样360nm激发时,与未掺杂的碳量子点相比,Mg-CDs的发射峰发生蓝移;而与EDA-CDs相比,Mg-EDA-CDs的发射峰也发生蓝移。也即,金属Mg元素的掺杂引发了碳量子点发射光谱的蓝移现象。引入金属元素掺杂和使用表面钝化剂都可以使碳量子点的荧光性能增强,而同时利用这两种机制,可以获得荧光性能最强的碳量子点。Mg-EDA-CDs具有明显的激发光依赖性,不仅发射光的强度随激发光变化,发射光谱也随激发光波长的增加有不均匀的红移现象。p H值在3-11的范围内,Mg-EDA-CDs水溶液的荧光性能没有显著变化,Mg-EDA-CDs非常适合在生理环境下应用。Mg-EDA-CDs的细胞毒性很低,在250μg/m L的浓度下,L929细胞仍有90%以上的存活率;Mg-EDA-CDs标记的L929细胞,在不同激发光波长下,碳量子点在细胞内发出明亮的荧光:405 nm光源激发下发出蓝色荧光,488 nm光源激发呈现出绿色,而543 nm激发下则发出红色荧光。而同样条件下,未经Mg-EDA-CDs标记的L929细胞在不同激发光下基本没有任何荧光显示。利用碳量子点表面丰富的官能团,在聚合反应中将碳量子点固定在异丙基丙烯酰胺凝胶,使凝胶具备了碳量子点的多色荧光性。(3)设计了一种溶剂热工艺一步制备纳米杂化的碳量子点/二氧化钛复合材料,以无水柠檬酸为碳源,钛酸丁酯为二氧化钛的先驱体,无水乙醇为溶剂,溶剂热反应中无水柠檬酸脱水和不完全碳化所产生的水立即用于钛酸丁酯的水解,进而形成早期的溶胶凝胶态的Ti O2以及最终的Ti O2纳米晶。通过这种方式以实现碳量子点与Ti O2最大程度的接触。CDs-Ti O2复合材料为在SEM观察下为微球状态,而该微球的基本组成单元是纳米级颗粒,这些纳米颗粒组合在一起构成了最终的微球形貌。这种基本组成单元的纳米颗粒可能是由碳量子点、二氧化钛和少量未反应完全的先驱体分子残留物组成。CDs-Ti O2复合材料均含有Ti O2结晶,但都是不完善的锐钛矿晶型。但随着加热时间延长,从样品C-6到样品C-12,对应锐钛矿晶型的衍射峰逐渐清晰,并变得尖锐。而经煅烧后,C-Ti O2复合材料中出现了金红石相Ti O2。随着煅烧温度的提升,C-Ti O2复合材料中金红石相Ti O2的比例迅速上升,而样品C-450中二氧化钛的两种晶型,锐钛矿与金红石相的比例与商品Degussa P25非常接近。CDs-Ti O2复合材料的表面官能团主要来源于碳量子点。而对于C-Ti O2复合材料,煅烧破坏了大部分的表面官能团,但同时也实现了惰性碳与Ti O2的精细掺杂。煅烧主要消耗的是碳量子点和样品C-9中此前未反应的先驱体分子,所以煅烧将碳量子点/二氧化钛(CDs-Ti O2)复合材料转化成了碳/二氧化钛(C-Ti O2)复合材料。样品C-9主要是由二氧化钛和碳量子点组成,可能还有少量未反应但能溶于浓硫酸的先驱体分子存在;而对于样品C-450而言,除了大部分的二氧化钛和少量的碳量子点,其组成还有一定量的不溶物,推测该不溶物应该是煅烧后产生的惰性碳材料。所有的CDs-Ti O2复合材料对亚甲基蓝(MB)都有高效的净化效率,10 min的紫外光照射,MB的去除率达到95%。而对于C-Ti O2复合材料,经过40 min的紫外光照射,样品C-450也可以对MB做到几乎完全降解,降解率达到96%。CDs-Ti O2复合材料更适合对MB的降解,而C-Ti O2复合材料对甲基橙(MO)和罗丹明B(RB)的降解更具优势。CDs-Ti O2复合材料不仅对MB有特殊且较强的吸附能力,对MB的光催化降解也非常有效。但是,如果吸附MB过多的话,样品C-9对MB的光催化性能下降。CDs-Ti O2复合材料对MB的强吸附并不仅仅来源于比表面积,而很有可能是由于微观多孔结构,以及碳量子点带来的丰富的表面官能团二者共同引起的。但是,由试验结果看来,CDs-Ti O2复合材料的强吸附性只对MB起作用。而对于MO和RB,可能比表面积更大、锐钛矿/金红石相比例合适的C-Ti O2复合材料更具优势。