基于生物質(zhì)材料的碳量子點的制備與性質(zhì)探究

周嫣然 李依晨 李笑然 朱子寒 杜春燕

量子點是一種新型納米級半導(dǎo)體材料，通常為直徑在2～20 nm的球形或類球形結(jié)構(gòu)，在外加電場或紫外光照射下會發(fā)出特定的熒光，又被稱為“熒光量子點”。量子點一般從鉛、鎘和硅的混合物中提取，普遍有毒，對環(huán)境也有很大的危害。碳量子點僅由碳原子組成，對環(huán)境友好、低毒，成為顯示和照明技術(shù)發(fā)展的潛在候選者。

因此，探究穩(wěn)定廉價碳量子點的制備及其熒光范圍至關(guān)重要，也是目前研究的熱點問題。生物質(zhì)材料易獲取且環(huán)保，由其制備的碳量子點水溶性好，可解決量子點的低毒等問題。基于此，我們決定在學(xué)校的科技實驗課上進(jìn)行實驗。本項實驗中，我們將采用熱解反應(yīng)，從榴蓮殼等多種生物質(zhì)碳化粉末中提取碳量子點，并初步探究不同的材料及不同酸堿性的溶劑對所得碳量子點性質(zhì)的影響。

一、實驗原理

本次實驗使用“自下而上”合成法，將生物質(zhì)材料完全碳化，形成原子級別的碳原子，再用不同溶劑的溶液提取碳量子點。

二、實驗步驟

（一）制備碳量子點溶膠

將果殼、果皮、果肉等洗凈后切成長度不超過3 cm的塊狀，添加少量花生（或不添加）后均勻地置于托盤上，再放入烘箱，在230 ℃環(huán)境下烘烤1小時直至其完全碳化后放入研缽，將其研磨成粉末。

分別取20 mL的去離子水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%和15%的CH3COOH溶液以及物質(zhì)的量濃度為0.1 M、0.5 M和1.0 M的NaOH溶液倒入試管，再取0.3 g碳化粉末倒入試管，將試管口密封后用超聲波清洗儀振蕩5分鐘，取出并靜置2 小時。用濾紙將試管里的溶液過濾至燒杯中，得到碳量子點溶膠，如圖1所示。

（二）碳量子點溶膠的表征

將待測溶膠放入紫外可見分光光度計，選定測量波長200～700 nm，測量紫外可見吸收光譜。將待測溶膠放入熒光光譜儀，設(shè)定激發(fā)波長360 nm，其他條件保持不變，測定待測溶膠的熒光波長和熒光強(qiáng)度。將待測溶膠放入納米粒度儀，采集數(shù)據(jù)5分鐘，測量平均粒徑和粒徑分布。

三、實驗過程與討論

（一）基于橘皮制備的碳量子點（O-CQDs）的性質(zhì)

將不同溶劑提取的橘皮碳量子點O-CQDs置于紫外光下照射，發(fā)現(xiàn)其均具有一定的熒光，但熒光強(qiáng)度各不相同，5%CH3COOH溶液提取的O-CQDs熒光強(qiáng)度最大。

進(jìn)一步對其進(jìn)行粒徑和紫外吸收光譜的測試發(fā)現(xiàn)，所有O-CQDs的平均粒徑均小于10 nm，且紫外吸收光譜在200～300 nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳量子點的特征，可以確認(rèn)其屬于碳量子點。

（二）基于榴蓮殼制備的碳量子點（D-CQDs）的性質(zhì)

我們將榴蓮殼碳源拆分為兩組，在榴蓮殼碳化的基礎(chǔ)上添加花生，制作一組含氮榴蓮殼碳量子點（D&P-CQDs），以探究花生中蛋白質(zhì)所含氮雜原子的增加對所得碳量子點的影響。

熒光測試結(jié)果表明，榴蓮殼與橘皮的熒光強(qiáng)度規(guī)律相似，濃度越低的CH3COOH溶液充當(dāng)溶劑制備的碳量子點的熒光強(qiáng)度越高。稀釋后的NaOH組遠(yuǎn)低于去離子水制備的碳量子點的熒光強(qiáng)度。在制備榴蓮殼碳量子點的過程中加入花生后，所得碳量子點D&P-CQDs的熒光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單獨的榴蓮殼組別。

我們對比兩組的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由榴蓮殼制備的碳量子點熒光強(qiáng)度均高于橘皮組的熒光強(qiáng)度。經(jīng)分析，該組數(shù)值偏高的原因主要在于，榴蓮殼含糖量高達(dá)13%，橘皮含糖量低于榴蓮殼的，僅有6.01%。不同溶液提取的D-CQDs的平均粒徑仍小于10 nm，確定其屬于碳量子點。

鑒于實驗中NaOH組的熒光強(qiáng)度普遍低于去離子水組的，我們僅保留一組0.1 M NaOH溶液作為參考。

（三）基于椰殼制備的碳量子點（C-CQDs）的性質(zhì)

我們分析利用不同溶液提取的椰殼碳量子點C-CQDs的粒徑發(fā)現(xiàn)，NaOH溶液提取的溶膠平均粒徑超過10 nm，不符合碳量子點的表征。結(jié)合其在200～300 nm的紫外可見吸收光譜發(fā)現(xiàn)，吸光度明顯低于其他組的，因此，我們判斷NaOH組無法制備出椰殼碳量子點。

CH3COOH濃度對C-CQDs熒光強(qiáng)度的影響規(guī)律與前述相同，CH3COOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%所得的C-CQDs的熒光強(qiáng)度最大，但相比基于榴蓮殼制備的碳量子點D-CQDs仍然過低。

（四）基于椰肉制備的碳量子點的性質(zhì)

為了研究材料成分和結(jié)構(gòu)對所得碳量子點性質(zhì)的影響，我們還制備了基于椰肉的碳量子點。在不同提取液樣品的紫外吸收光譜中，發(fā)現(xiàn)椰肉組樣品的吸收峰與其他樣品的不一致，其在200～300 nm處具有兩個不同于納米材料平滑峰的尖峰。

查閱文獻(xiàn)后我們了解到，椰肉中含有脂肪，脂肪氧化生成脂肪酸。我們認(rèn)為波峰的差異在于該組原材料并未完全碳化，椰肉中有油脂殘存，這部分油脂混雜在制備的碳量子點內(nèi)，使吸光度發(fā)生改變。

進(jìn)一步分析所得樣品的粒徑發(fā)現(xiàn)，NaOH組提取的樣品粒徑遠(yuǎn)超過10 nm，不符合碳量子點的概念，因此再次確定NaOH溶液無法提取得到碳量子點。

椰肉組碳量子點的熒光測試結(jié)果表明，椰肉碳量子點的熒光強(qiáng)度規(guī)律與其他果皮的明顯不符，重復(fù)實驗后發(fā)現(xiàn)該組數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)錯誤。在溶液pH值小于7時，CH3COOH濃度越高，其對應(yīng)的碳量子點的熒光強(qiáng)度越大。

查閱文獻(xiàn)后我們了解到，含有飽和脂肪酸的棕櫚油能吸收293 nm和309 nm的紫外光并向外發(fā)射熒光，327 nm時的熒光強(qiáng)度隨體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。飽和脂肪酸與CH3COOH相似相溶，隨著CH3COOH的濃度增大，溶于CH3COOH溶液的飽和脂肪酸增加，故熒光強(qiáng)度增大。

四、研究結(jié)論

（一）實驗探究了碳源對所得碳量子點的性質(zhì)的影響，利用常見的橘皮、榴蓮殼、椰殼、椰肉等生物質(zhì)材料，通過高溫加熱、研磨、過濾的方法成功制備出碳量子點。

（二）在榴蓮殼中加入少許花生，改變碳源的含氮濃度，發(fā)現(xiàn)該實驗組的熒光強(qiáng)度最大，其納米材料的特征吸收峰也很明顯，證明改變碳源種類會影響碳量子點的熒光強(qiáng)度、吸光度以及粒徑等性質(zhì)。

（三）實驗同時探究了提取液的濃度對碳量子點性質(zhì)的影響，采用去離子水、不同濃度的CH3COOH溶液和NaOH溶液制備碳量子點，結(jié)果表明5%的CH3COOH溶液提取出的碳量子點的熒光性質(zhì)最強(qiáng)。椰肉中殘留的飽和脂肪酸會影響所得碳量子點的熒光性質(zhì)。

五、實驗感想

利用生物質(zhì)材料經(jīng)過簡單加工就能得到神秘的納米材料，這和我們想象的完全不一樣。建議大家將廢棄的果殼、果皮、果肉等集中存放，交由專業(yè)機(jī)構(gòu)再次利用，助力資源回收。

此次實驗圍繞納米材料展開，將納米材料制備與我們身邊的常見食品及資源回收利用問題結(jié)合，拓展了我們的思維，提升了我們的實踐創(chuàng)新能力。同時，我們還學(xué)會了如何設(shè)計多變量實驗，如何對實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計、分析和對比。

專家點評

該項目具有如下優(yōu)點：1.既有良好的出發(fā)點又有完善的科學(xué)理論支撐，文章整體思路清晰，結(jié)構(gòu)緊密；2.作者進(jìn)行了全面、大量的實驗，對基于榴蓮殼等生物質(zhì)材料為碳源的碳量子點的制備，從生產(chǎn)原料到制備質(zhì)量等多個方面進(jìn)行了廣泛評估；3.作者對實驗結(jié)論的討論嚴(yán)謹(jǐn)，詳細(xì)描述，解釋了實驗結(jié)果，具備相應(yīng)的理論依據(jù)，使實驗結(jié)果有力地反映了最后的結(jié)論；4.文章各部分相互印證，提高了文章整體的可信度。將納米材料制備與常見食品及資源回收利用問題結(jié)合，實驗設(shè)計全面且合理，研究內(nèi)容有趣且富有意義。

提出如下建議：1.“分別取20 mL的去離子水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%和15%的CH3COOH溶液以及物質(zhì)的量濃度為0.1 M、0.5 M和1.0 M的NaOH溶液”，建議統(tǒng)一溶液的單位，如都用摩爾濃度表示，或都用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示；2.文中“進(jìn)一步對其進(jìn)行粒徑和紫外吸收光譜的測試發(fā)現(xiàn)，所有O-CQDs的平均粒徑均小于10 nm”，僅借助家用廚具設(shè)備進(jìn)行研磨，達(dá)到10 nm的可能性有待進(jìn)一步確認(rèn)。

（欄目編輯? 秦銀銀）

本期點評專家

張永強(qiáng)? 中學(xué)高級教師，湖南省十佳科技教師?？破罩袊?021年十大科普人物獎獲得者，全國校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設(shè)計大賽、湖南省科學(xué)調(diào)查體驗活動評審專家組成員。