发光碳纳米颗粒和CdS量子点的合成表征及应用

摘要

纳米材料是指材料结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间的材料。由于材料的尺寸已经接近电子的相干长度和光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。碳纳米材料则是其中独具特色的一类材料。因为其独特的物理、化学性质以及多样存在的结构状态，可广泛用于生物、半导体、信息和通讯、医学与健康等领域。但是目前合成纳米材料的方法，例如激光刻蚀、等离子体辐照、CVD技术等，需要昂贵的设备，消耗较多的能量，本论文采用天然气燃烧烟灰为原料，简单易行地合成了颗粒状的具有光致发光性的碳纳米颗粒。并以合成的碳纳米颗粒为基础，进一步合成金属/碳纳米复合物结构作为良好的催化剂而用在氧还原反应中。主要的工作分以下几个部分。
　　 1.将天然气燃烧后获得的残渣在硝酸中回流，可以获得碳纳米颗粒。透射电镜数据表明制备的碳颗粒平均尺寸为4.8±0.6nm，并且碳颗粒的晶体结构与石墨碳的晶体结构一致。进一步通过13CNMR和FTIR光谱测定，可以确定，制备的碳颗粒具有以芳基、羧酸基和羰基形式存在的sp2 C。有趣的是，制得的碳纳米颗粒具有光致发光性质，通过计算，量子产率约为0.43％。从蜡烛残渣中可以制备尺寸小的多的碳纳米颗粒，但是这两种不同尺寸的碳纳米颗粒具有相似的发光能带，表明这种光致发光性质是基于颗粒表面状态的。这与具有间接带隙的半导体量子点的性质相似。通过电化学实验的测试，可以观察到两对明显的伏安波。这两对峰被归属为来自碳颗粒表面的外围菲醌官能团。另外，制得的碳纳米颗粒还可以应用为纳米结构载体，在此之上，各种金属可以被沉淀至合成金属-碳的复合物。
　　 2.对以天然气燃烧残渣为原料合成的碳纳米颗粒的光致发光性质进行研究。在经过200℃～340℃、最长达15小时一系列不同条件的水热处理后，碳纳米颗粒的光致发光性可以增强10倍。经过UV-Vis，NMR以及电化学测试分析，认为在水热处理的过程中，碳纳米颗粒表面的苯醌类官能团被有效除去是引起发光性增强的主要原因。这个发现可以被利用来控制调节碳纳米颗粒的光电性质。
　　 3.以合成的碳膜颗粒为结构载体合成C/Pt纳米复合物。合成的C/Pt具有良好的水溶性以及对氧还原反应较好的催化活性。纳米复合物颗粒的尺寸可以通过反应的起始原料填充比例进行控制。由于碳纳米颗粒具有较大的比表面积，合成的催化剂有比较高的催化效率。催化剂活性通过循环伏安法(Cyclic voltammetry，CV)和旋转电极伏安法(Rotating disc voltammetry，RDE)检测。
　　 4.基于表面增强拉曼散射技术(SERS)，内壁修饰Ag纳米颗粒的中空导波管被用作分子检测的传感器。在用内壁涂覆中空导波管检测R6G分子的过程中发现，与单衬底传感器相比较，新构建的双衬底传感器具有较高的灵敏度。灵敏度增强是由于双衬底传感器同时具有微空腔和“三明治”结构两种导致SERS增强的结构，比直接检测的灵敏度高两个数量级。
　　 5.合成水溶性的CdS量子点，并且在量子点表面修饰聚乙烯亚胺高分子构建检测Cu2+的传感器。修饰聚乙烯亚胺分子后的量子点发光强度为修饰前的两倍，具有很高的灵敏度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1碳纳米材料概述

1.1.1碳纳米材料发展历史

1.1.2碳纳米材料分类

1.1.3碳纳米结构的稳定性

1.2碳纳米结构的合成及性质

1.2.1金刚石碳纳米结构（nanodiamond）

1.2.2碳纳米颗粒的合成及提纯

1.2.3碳纳米颗粒的表征技术

1.2.4由金刚石纳米颗粒组装衍生的碳纳米材料

1.3碳纳米结构的应用

1.3.1超分散金刚石碳纳米颗粒的应用

1.3.2超纳米金刚石晶体的应用

1.3.3由碳化物衍生物得到的碳纳米材料的应用

参考文献

第2章从天然气燃烧残渣中制备纳米尺寸的碳颗粒

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1试剂

2.2.2碳纳米颗粒的合成

2.2.3金属纳米结构在碳纳米颗粒上的沉积

2.2.4透射电镜Transmission Electron Microscopy(TEM)分析

2.2.5光谱分析

2.2.6电化学分析

2.3结果与讨论

2.3.1碳纳米颗粒的表征

2.3.2金属/碳纳米复合物的表征

2.4小结

参考文献：

第3章水热处理增强碳纳米颗粒的光致发光性

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1碳纳米颗粒的合成

3.2.2碳纳米颗粒的水热处理

3.2.3碳纳米颗粒的还原

3.2.4光谱分析

3.3结果与讨论

3.3.1固定处理温度，改变处理时间的碳纳米颗粒的表征

3.3.2固定处理时间，改变处理温度的碳纳米颗粒的表征

3.4小结

参考文献

第4章以纳米尺寸碳颗粒为载体的铂为催化剂的氧还原反应

4.1 引言

4.2实验部分

4.2.1试剂

4.2.2碳纳米颗粒的合成

4.2.3在碳纳米颗粒上沉积Pt纳米结构

4.2.4电化学分析

4.3结果与讨论

4.3.1 C/Pt催化剂

4.3.2循环伏安法（CV）

4.3.3旋转电极伏安法(RDE)

4.3.4合成的催化剂与商业催化剂催化活性比较

4.4小结

参考文献

第5章基于双衬底表面增强拉曼光谱技术的内壁修饰的中空光导传感器

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1 Ag纳米颗粒的合成

5.2.2传感器的构建

5.3结果与讨论

5.4小结

参考文献

第6章表面修饰聚乙烯亚胺分子的硫化镉量子点作为铜离子传感器的研究

6.1引言

6.2实验部分

6.2.1试剂

6.2.2仪器

6.2.3水溶性CdS量子点的合成以及聚乙烯亚胺对量子点表面的修饰

6.3结果与讨论

6.4小结

参考文献

在读研究生期间发表论文

致谢