N,B,P-共掺杂碳点的制备、室温磷光性能与应用

作     者：吴慧琳 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王凯悌

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 070302[理学-分析化学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：碳点 室温磷光 激发依赖的发射行为 可见光可激发的RTP 掺杂 

摘      要：碳点（Carbon Dots,CDs）作为一种尺寸小于10 nm的纳米材料,由于光稳定性优异、生物相容性好、原材料丰富且制作流程简单,在生物成像、光学器件、加密防伪等领域具有广泛的应用前景,使其成为近年来备受人们关注的一类新型发光材料。截至目前,已有大量基于碳点的室温磷光（RTP）材料得到了很好的开发,碳点基RTP材料在合成方法、发光机制、磷光性能调控等方面的研究已经取得了较大的突破。研究发现,在碳点中掺杂杂原子可以提供多个三重态能级,构建不同的化学环境,相应的碳点可表现出激发依赖的RTP性能,甚至可以被可见光激发的RTP发射,实现颜色可调的RTP发射。因此,本文通过合理的分子设计,成功制备了一种具有激发依赖特性的B、N、P共掺杂碳点材料,并对其制备、结构、微形貌和光物理性质进行了详细的研究。同时由于该碳点材料制备简易,通过调整制备工艺,实现该材料的大规模制备。此外通过控制碳化程度,碳点的RTP颜色可以从绿色调到橙红色;通过构筑主客体体系,在有效的能量传递策略下,碳点的发光颜色可以进一步调谐为红色。主要研究内容如下: （1）以二亚乙基三胺（DETA）作为碳源,同时采用硼酸（BA）、磷酸（PA）和丙烯酸（AA）作为交联剂,通过水热反应法,制备了B,N,P共掺杂的室温磷光碳点（BNP-CDs）材料,并对其形貌、结构和光物理性能进行了表征。所合成的BNP-CDs为直径2.4 nm左右的球形纳米颗粒,表面含有丰富的NH、C=O等官能团,中心为高度石墨化的核。在波长为365 nm和420 nm的光源激发下,BNP-CDs可分别发射出波长为545 nm和576 nm的磷光,寿命分别为845 ms和476 ms,量子产率分别为10.73%和1.89%。在紫外灯和白色LED的辐照下,分别发出绿色和黄色的余辉,持续时间为9 s和7 s。此外,得益于BNP-CDs的激发依赖性和可见光激发特点,我们还将其成功应用在指纹采集和发光交通标牌上。 （2）通过逐级放大的过程,实现了BNP-CDs的百克级制备。通过优化实验工艺,调整实验参数,按照硼酸投量为1 g、5 g、10 g、20 g、50 g、75 g、100 g的顺序逐级放大,分别获得了1.36 g、6.71 g、14.2 g、28.6 g、72.0 g、117 g、163 g的光物理性能稳定的碳点RTP材料。百克级实验所制备的BNP-CDs室温磷光性能与小规模制备的BNP-CDs差别不大。在波长为365 nm和420 nm的光源激发下,BNP-CDs可分别发射出波长为545 nm和576 nm的磷光,寿命分别为837 ms和476 ms,量子产率分别为9.41%和1.68%。在紫外灯和白色LED灯的辐照下,分别发出绿色和黄色的余辉,持续时间为9 s和7 s。 （3）进一步对BNP-CDs的发光颜色进行了调控。当反应温度和反应时间在200°C-280°C和6 h-10 h内进行调整时,所获得不同的BNP-CDs(BNP-CDs～2 、BNP-CDs～2 、BNP-CDs～2 、BNP-CDs～2 、BNP-CDs～2 BNP-CDs～2 和BNP-CDs～2 )的紫外光激发和可见光激发磷光颜色分别由绿色转变黄色和由黄色转变为橙红色。在365 nm的紫外光照射下,发光波长为545 nm-605 nm,寿命为224 ms-845 ms;在420nm光源激发下,发光波长为573 nm-609 nm,寿命为232 ms-476 ms。进一步构筑主客体体系,所制备的BNP-CD/Rh6G@PVA和BNP-CD/Rh B@PVA的颜色可进一步调节为红色。365 nm的紫外光照射下,发光波长为595 nm-605 nm,寿命为142 ms-149ms。利用动态和可见激发的彩色RTP发射,我们还探索了这些CDs在防伪中的应用。 本论文研究内容表明,通过引入多种交联剂制备碳点材料,可以构筑多发光中心,赋予碳点可见光激发的室温磷光发射特性。同时,进一步调控反应调节或构筑主客体体系,可以对其长余辉发光颜色进行调节,获得多色动态的碳点室温磷光材料,并实现在防伪、指纹采集和发光交通标牌等领域的应用。