碳基水凝膠納米油墨的合成及其熒光性能.pdf

1、近年來，隨著一維碳納米管、二維石墨烯等碳納米材料取得突破性進(jìn)展，零維的碳量子點成為碳材料大家族另一個研究熱點。熒光碳量子點作為一種新型的熒光材料，由于其優(yōu)越的光學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、低毒性、良好的生物相容性等優(yōu)點，使其在生物成像、傳感和光電器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　然而，由于碳量子點在干燥或聚集態(tài)易發(fā)生較強(qiáng)的熒光猝滅，限制了碳量子點在固態(tài)熒光器件的應(yīng)用。為了保持碳量子點在固態(tài)器件的穩(wěn)定性，碳量子點需進(jìn)一步與基質(zhì)材料復(fù)合。聚

2、(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)是一種對溫度具有獨特響應(yīng)的智能水凝膠，在最低臨界溶解溫度(LCST)32℃附近會發(fā)生體積相變，是碳量子點復(fù)合基質(zhì)材料的一種理想選擇，將其與碳量子點復(fù)合，賦予熒光碳量子點溫敏特性的同時而不改變其熒光性能，這種兼具熒光性和溫敏性的復(fù)合材料有望應(yīng)用于新一代的溫敏熒光標(biāo)記領(lǐng)域。
　　本文成功制備了具有藍(lán)色熒光的碳量子點(CND)，并通過丙烯酰胺（PAAm）的交聯(lián)作用將其與PNIPAM復(fù)合，成功制備具有

3、半貫穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳基水凝膠納米油墨(PAAm/PNIPAM-CND hydrogels nano ink)。該油墨的熒光強(qiáng)度和光學(xué)透過率對外界溫度(20-55℃)具有響應(yīng)性并重復(fù)可逆。此外，該熒光油墨不僅可以涂覆在不同的基底材料上，而且可以通過凹版印刷技術(shù)印制出不同圖案，并在紫外燈下發(fā)射藍(lán)色熒光，有望成為一種新型的熒光智能油墨。本論文的主要工作和結(jié)論如下:
　　1.采用熱解法和水熱法制備了具有藍(lán)色熒光的碳量子點，并通過X射線衍射技

4、術(shù)(XRD)、拉曼光譜(Raman)、X射線電子能譜(XPS)、透射電鏡(TEM)、熒光光譜(PL)等檢測方法對其進(jìn)行表征分析。結(jié)果顯示，熱解法制備的碳量子點的熒光產(chǎn)率為6-8％，熒光光譜分析顯示，360nm激發(fā)波激發(fā)下，碳量子點在420nm處發(fā)射較強(qiáng)的藍(lán)色熒光，并具有明顯的激發(fā)波長依賴的發(fā)光特性。XPS結(jié)果分析表明，碳量子點表面有C-OH，C-O-C和C=O官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可能是導(dǎo)致其熒光發(fā)射的原因。水熱法合成的碳量子點，平均粒徑為

5、3.4nm，360nm激發(fā)波激發(fā)下，在443nm處發(fā)射較強(qiáng)的藍(lán)色熒光，熒光量子產(chǎn)率增至60％，通過元素和表面官能團(tuán)分析知，高熒光產(chǎn)率可能是由于胺基的引入，改變了碳量子點的表面狀態(tài)而導(dǎo)致的。對比這兩種碳量子點的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能發(fā)現(xiàn):量子限制效應(yīng)和表面缺陷是誘發(fā)碳量子點熒光發(fā)射的主要因素，其中表面缺陷對碳量子點的熒光特性起決定性作用。
　　2.采用乳液聚合法制備溫敏性水凝膠PNIPAM，并將其與碳量子點通過丙烯酰胺(PAAm)交聯(lián)復(fù)

6、合，制備具有半貫穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳基水凝膠納米油墨(PAAm/PNIPAM-CND hydrogels nano ink)。利用溫敏性復(fù)合凝膠在不同環(huán)境溫度下聚集態(tài)和化學(xué)微環(huán)境的變化，為碳量子點創(chuàng)造一種獨特的可控復(fù)合狀態(tài)。結(jié)果顯示，制備的碳基水凝膠納米油墨的熒光強(qiáng)度對外界溫度的變化(20-55℃)具有響應(yīng)性并重復(fù)可逆，即外界溫度的升高或降低，熒光強(qiáng)度隨之降低或升高。對碳基水凝膠納米油墨進(jìn)行加熱冷卻循環(huán)實驗，其熒光光譜在加熱冷卻循環(huán)前后并沒有