[发明专利]一种碳量子点制备方法及其图案化应用

说明书

本发明提供一种碳量子点及其制备方法和应用。本发明实施例提供了一种纤维素作为碳源在制备碳量子点中的应用，该纤维素具有特定的结构式。采用具有这些结构的纤维素进行制备时，简单地通过直接加热、微波、激光、超声波等方式聚集分子能量，使纤维素的结构发生转变即可形成碳量子点，在此过程中无需控制高温高压、无氧等条件就能够完成反应。同时，该纤维素膜可通过激光刻蚀直接形成碳点荧光图案，提供了一种新型荧光图案化方法。

技术领域

本发明涉及量子点技术领域，尤其是涉及一种碳量子点及其制备方法和其图案化应用。

背景技术

碳量子点具有优异的稳定性、生物兼容性及光稳定性，可以应用在生物标记、生物成像、荧光检测、LEDs、传感器、光催化、太阳能电池及电子器件等领域。与其它无机量子点相比，碳量子点具有低毒性及环境友好，是未来的明星材料。同时，碳量子点的原料来源广泛。从实验室的柠檬酸、乙二胺四乙酸、尿素、乙二胺等到生活中的蔬菜、水果、树叶、果汁等都可以作为碳量子点的原料。

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50％以上，因此，纤维素也可以作为碳量子点的一种优良碳源使用。对纤维素进行碳量子点的制备通常采用自下而上法。自下而上法是把有机前驱体作为种子在一定条件下生长形成碳量子点，例如，采用直接加热、微波以及超声波等方式。目前，以纤维素为原料制备碳量子点的方法主要是在高温高压条件下通过水热反应，并经由钝化处理得到荧光碳量子点。然而，水热法对反应条件要求较为苛刻，例如，要求高温高压，通常还需要除去反应体系中的氧气等。因此，有必要提供一种操作简单的碳量子点的制备方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种操作简单的碳量子点及其制备方法和其图案化应用。

第一方面，本发明的一个实施例提供了一种纤维素作为碳源在制备碳量子点中的应用，该纤维素具有式(Ⅰ)的结构式：

其中，n为20～20000的正整数，R分别独立选自：

氢原子、硝基、且不同时为氢原子；

其中，L₁选自单键、C1～C10取代或未取代的亚烷基、C6～C10取代或未取代的亚芳基中的至少一种，R₁选自氢原子、卤素原子、硫原子、磷原子、氨基、硝基、羟基、C1～C10未取代的烷基中的至少一种；R₂～R₅分别独立选自氢原子、C1～C10未取代的烷基中的至少一种。

本发明实施例的应用至少具有如下有益效果：

本发明选择具有特定结构的纤维素原料，采用具有这些结构的纤维素进行制备时，简单地通过直接加热、微波、激光、超声波等方式聚集分子能量，使纤维素的结构发生转变即可形成碳量子点，在此过程中无需控制高温高压、无氧等条件就能够完成反应。

根据本发明的一些实施例的应用，纤维素的取代度为35～39％。纤维素结构上有35～39％的活性羟基发生取代，活性羟基和酰基化官能团的量的不同会影响量子点结构中的含氧量，以及缺陷结构的多少，可能因此改变量子点晶格的大小，并进而对量子点的稳定性、发光效率等产生影响。

根据本发明的一些实施例的应用，亚烷基或亚芳基的取代基选自卤素原子、硫原子、磷原子、氨基、羟基。

第二方面，本发明的一个实施例提供了一种碳量子点的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)取式(Ⅰ)的纤维素在100～250℃条件下热解1h以上；

其中，n为20～20000的正整数，R分别独立选自：