碳基水凝胶纳米油墨的合成及其荧光性能

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近年来,随着一维碳纳米管、二维石墨烯等碳纳米材料取得突破性进展,零维的碳量子点成为碳材料大家族另一个研究热点。荧光碳量子点作为一种新型的荧光材料,由于其优越的光学性能、化学稳定性、低毒性、良好的生物相容性等优点,使其在生物成像、传感和光电器件等领域有着广泛的应用前景。然而,由于碳量子点在干燥或聚集态易发生较强的荧光猝灭,限制了碳量子点在固态荧光器件的应用。为了保持碳量子点在固态器件的稳定性,碳量子点需进一步与基质材料复合。聚(N-异丙基丙烯酰胺XPNIPAM)是一种对温度具有独特响应的智能水凝胶,在最低临界溶解温度(LCST)32°C附近会发生体积相变,是碳量子点复合基质材料的一种理想选择,将其与碳量子点复合,赋予荧光碳量子点温敏特性的同时而不改变其荧光性能,这种兼具荧光性和温敏性的复合材料有望应用于新一代的温敏荧光标记领域。本文成功制备了具有蓝色荧光的碳量子点(CND),并通过丙烯酰胺(PAAm)的交联作用将其与PNIPAM复合,成功制备具有半贯穿网络结构的碳基水凝胶纳米油墨(PAAm/PNIPAM-CND hydrogels nano ink)。该油墨的荧光强度和光学透过率对外界温度(20-55°C)具有响应性并重复可逆。此外,该荧光油墨不仅可以涂覆在不同的基底材料上,而且可以通过凹版印刷技术印制出不同图案,并在紫外灯下发射蓝色荧光,有望成为一种新型的荧光智能油墨。本论文的主要工作和结论如下:1.釆用热解法和水热法制备了具有蓝色荧光的碳量子点,并通过X射线衍射技术(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)、荧光光谱(PL)等检测方法对其进行表征分析。结果显示,热解法制备的碳量子点的荧光产率为6-8%,荧光光谱分析显示,360nm激发波激发下,碳量子点在420nm处发射较强的蓝色荧光,并具有明显的激发波长依赖的发光特性。XPS结架分析表明,碳量子点表面有C-OH, C-0~C和00官能|礼这些官能团可能是导致其荧光发射的原因。水热法合成的碳量子点,平均粒径为3.4nm,360nm激发波激发下,在443nm处发射较强的蓝色荧光,荧光量了产率增至60%,通过元素和表面官能团分析知,高荧光产率可能是山于胺基的引入,改变了碳量子点的表面状态而导致的。对比这两种碳量子点的微观结构和光学性能发现:量子限制效应和表面缺陷是诱发碳量子点荧光发射的主要因素,其中表面缺陷对碳量子点的荧光特性起决定性作用。2.采用乳液聚合法制备温敏性水凝胶PNIPAM,并将其与碳量子点通过丙烯酰胺(PAAm)交联复合,制各具有半贯穿网络结构的碳某水凝胶纳米油墨(PAAin/PNIPAM-CND hydrogels nano ink)?利用温敏性复合凝胶在不同环境温度下聚集态和化学微环境的变化,为碳量子点创造一种独特的可控复合状态-结果显示,制备的碳基水凝胶纳米油墨的荧光强度对外界温度的变化(20~55"C)具有响应性并重复可逆,即外界温度的升高或降低,荧光强度随之降低或升高。对碳基水凝胶纳米油墨进行加热冷却循环实验,其荧光光谱在加热冷却循环前后并没有较大变化,说明加热冷却循环对复合凝胶荧光特性并无损伤,同时也证明了在温敏性水凝胶中弓丨入碳量子点,对其温度弓I起的体积相变性质并没有影响。3.制备的碳基水凝胶纳米油墨可以涂敷在纸、石英片、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等衬底上,并发现涂敷在石英衬底上的碳基水凝胶纳米油墨,其透过率随着温度的升高而降低。而且,碳基水凝胶纳米油墨可以通过凹版印刷印制不同图案,并在紫外灯下发出蓝色荧光。
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