一种直接热分解法合成氮掺杂碳纳米粒子的方法

摘要

一种直接热分解法合成氮掺杂碳纳米粒子的方法，涉及一种化学纳米材料的制备方法，所述方法包括以下具体步骤：物料的混合：称取1.0克碳源物质和0.010-1.0克富含氨基、羧基、羟基物质混合，于研钵中研磨均匀，得白色混合物；氮掺杂碳纳米粒子生成：将上述混合物倒入250毫升烧杯中，加入少量水溶解，置于恒温干燥箱中于120-210℃加热1小时；取出烧杯自然冷却至室温，烧杯内得棕黄色泡沫状固体，此固体为氮掺杂碳纳米粒子。该方法以富含氨基、羧基、羟基物质和碳源物质为前驱体，直接共热合成氮掺杂碳纳米粒子固体，适合产业化要求，合成速度快、步骤少，材料来源广泛，所得碳纳米粒子环保、荧光性能好。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种化学纳米材料的制备方法，特别是涉及一种直接热分解法合成氮掺杂碳纳米粒子的方法。

背景技术

碳纳米粒子CNPs材料是近年发现的新材料，由于其在光电设备、生物成像、标记等方面的成功应用，其用途越来越广泛。碳纳米粒子的制备当前进入了全新的阶段，制备方法趋向更简单更经济。当前常规制备的方法不外乎两大路线，自上向下法和自下向上法。自上向下法是将大块的碳材料分割成小块，然后进行后处理，如；激光处理石墨碳靶，成为碳纳米粒子、电化学方法刻蚀石墨或碳纤维，使之成为纳米粒子；自下向上法是将含碳分子聚合成碳纳米粒子，如热解蔗糖、维生素C、柠檬酸等，使分子脱水碳化成为碳纳米粒子。前者技术、设备都较为复杂，制备成本高，没有特殊需要一般不采用；后者较为简单，目前广泛采用。碳纳米粒子的制备较为经济的方法是自下向上法中的溶剂热法，溶剂热法制备碳纳米粒子通常采用糖类、有机酸、氨基酸为前驱体，溶解于溶剂中，高压密闭热分解成碳纳米粒子。由于选用的原料富含羟基、羧基、氨基，在形成碳纳米粒子的时候表面有很多活性基团，大多数制备的碳纳米粒子不需要钝化就有较好的荧光性能。其有很多优点，如形成的碳纳米粒子粒径均匀可控、无污染、不需要钝化、荧光性能优良等。虽然溶剂热法有以上诸多优点，但也有缺点。如制备的碳纳米粒子在溶液中，不易分离出固态产物、耗费溶剂等。单纯的碳纳米粒子荧光性能通常不好，为了改善荧光性能，通过掺杂氮元素改变表面特性增加荧光强度。此外，碳纳米粒子在溶液还有一个非常棘手的问题，就是碳纳米粒子溶液易受细菌作用发生霉变，因而保存时间短。溶剂热法所得的碳纳米粒子溶液需要脱除溶剂才能得到固体碳纳米粒子粉末，但需要耗费大量能源。同时又产生新的问题：碳纳米粒子在脱除溶剂过程中会发生形貌的改变，可能发生团聚。本发明采用的是直接有机物碳化法，直接将碳源和修饰剂混合加热，制备出氮掺杂碳纳米粒子固体，制备过程中仅使用少量水溶剂，反应时间时间短、设备无腐蚀。所制备的氮掺杂碳纳米粒子不需要另外修饰钝化就有良好的荧光性能，实现了一步完成反应，大大节省了反应步骤。本发明所用原料简单便宜、易得，合成步骤简单、试剂无毒，方法优于目前碳纳米粒子制备方法。以有机酸和草酸铵混合共热法制备碳纳米粒子以及施例中所列方法目前没有报道。

发明内容

    本发明的目的在于提供一种直接热分解法合成氮掺杂碳纳米粒子的方法，该方法以富含氨基、羧基、羟基物质和碳源物质为前驱体，直接共热合成氮掺杂碳纳米粒子固体，适合产业化要求，合成速度快、步骤少，材料来源广泛，所得碳纳米粒子环保、荧光性能好。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种直接热分解法合成氮掺杂碳纳米粒子的方法，其具体步骤为 ：

（1）物料的混合：称取1.0克碳源物质和0.010-1.0克富含氨基、羧基、羟基物质混合，于研钵中研磨均匀，得白色混合物。。

（2）氮掺杂碳纳米粒子生成：将上述混合物倒入250毫升烧杯中，加入少量水溶解，置于恒温干燥箱中于120-210℃加热1小时。取出烧杯自然冷却至室温，烧杯内得棕黄色泡沫状固体，此固体为氮掺杂碳纳米粒子。

所述的一种直接热分解法合成氮掺杂碳纳米粒子的方法，所述碳源物质为维生素C、或酒石酸、或苹果酸、或柠檬酸。

所述的一种直接热分解法合成氮掺杂碳纳米粒子的方法，所述富含氨基、或羧基、或羟基物质是草酸铵、或尿素、或氨基酸、或乙二胺四乙酸。

本发明的优点与效果是：

    本发明以富含氨基、羧基、羟基物质和碳源物质为前驱体，直接共热合成氮掺杂碳纳米粒子固体，具有材料来源广泛，合成步骤少，所需设备价格低，不需要大规模的设备投资即可宏量生产，适合产业化要求。合成速度快，不使用强酸、强碱。本方法所合成的氮掺杂碳纳米粒子溶液的荧光亮度高，水溶性好。本方法所得碳纳米粒子是固体，方便长期保存，容易配制成溶液。氮掺杂碳纳米粒子不需要另外钝化修饰即有良好性能。本方法所合成的氮掺杂碳纳米粒子采用的试剂环境友好，无毒性，所得碳纳米粒子环保、荧光性能好，方便用于生物学成像，特别是用于活体标记。

附图说明

图 1 ：碳纳米粒子溶液的TEM图片（对应实施例 3 产物）；

    图 2 ：碳纳米粒子溶液的不同波长激发波长下的荧光光谱（对应实施例 3 产物）。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明以富含氨基、羧基、羟基物质和碳源为前驱体，共热合成碳纳米荧光材料的方法，以为富含氨基、羧基、羟基物质助剂，将碳源物质和富含氨基、羧基、羟基物质，加入少量水直至固体完全溶解，得澄清透明溶液。将上述溶液倒入250毫升烧杯中，置于恒温干燥箱中于120-210℃加热1小时。取出烧杯自然冷却至室温，烧杯内得棕黄色泡沫状固体，此固体体为氮掺杂碳纳米粒子。

为更好地说明本发明的技术方案，特给出以下实施例，但本发明的实施并不仅限于此。

实施例1

（1）物料的混合：称取1.0克柠檬酸和0.10克草酸铵混合，于研钵中研磨均匀，得白色混合物。

（2）氮掺杂碳纳米粒子生成：将混合物倒入250毫升烧杯中，加入少量水溶解，置于恒温干燥箱中于190℃加热1小时。取出烧杯自然冷却至室温，烧杯内得棕黄色泡沫状固体，此固体体为氮掺杂碳纳米粒子。

实施例2、

（1）物料的溶解：称取1.0克维生素C和0.010克草酸铵混合，于研钵中研磨均匀，得白色混合物。

（2）氮掺杂碳纳米粒子生成：倒入250毫升烧杯中，加入少量水溶解，置于恒温干燥箱中于130℃加热1小时。取出烧杯自然冷却至室温，烧杯内得棕黄色泡沫状固体，此固体体为氮掺杂碳纳米粒子。

实施例3

（1）物料的溶解：称取苹果酸1.0克和1.0克草酸铵混合，于研钵中研磨均匀，得白色混合物。

（2）氮掺杂碳纳米粒子生成：将混合物倒入250毫升烧杯中，加入少量水溶解，置于恒温干燥箱中于210℃加热1小时。取出烧杯自然冷却至室温，烧杯内得棕黄色泡沫状固体，此固体体为氮掺杂碳纳米粒子。

本例的碳纳米粒子溶解于水中，稀释后进行了透射电镜、荧光表征。见图1、和图2，透射电镜表明；该纳米粒子直径在10-40纳米范围内，形貌呈球形，边界清晰，形状完好。荧光表征结果表明：在激发波长350-600纳米范围内，该样品都有较好的荧光性能，随着激发光波长增加，在300-370纳米激范围，发射光最大峰波长基本不变，强度增高，在363纳米激发波长下，发射光最强。在激发光370-500纳米范围内，发射光波长随激发波长增加而增加，发生明显红移，强度逐渐减弱，有多色特性，荧光光谱表明：该样品荧光性能优良。该纳米粒子具有潜在应用功能。