廣西特產甘蔗渣水熱碳化產物的制備

練麗華 賴曉霞 梁君夏

摘要：以富含纖維素的廢棄生物質甘蔗渣為原料，采用水熱法合成了具有熒光性能的碳量子點。對碳量子點進行了表征，其粒徑大小約為5-10nm；在紫外燈照射下發藍色熒光，對其熒光性能進行了研究，發現其具有多元激發、多元發射的性質。

關鍵詞：熒光碳量子點；甘蔗渣；水熱碳化

甘蔗渣是指甘蔗經過榨糖之后剩下的部分，它來源集中、產量大，是一種重要的可再生生物資源。它的成分以纖維素，半纖維素以及木質素為主，木質化程度高，蛋白、淀粉和可溶性糖含量較少。以甘蔗渣作為制備碳材料的來源也有報道，如Nieto-Delgado[1]和Purnomo等[2]采用甘蔗渣作為原料制備活性炭，Zhuo等[3]以甘蔗渣制備活性炭并將其應用于超級電容器。本研究選用富含纖維素的廢棄生物質甘蔗渣作為碳源，采用綠色環保的水熱碳化技術，制備具有熒光性能的碳量子點，為廢棄生物質材料的利用開辟了一個新的途徑。

1 實驗

1.1 主要原料

甘蔗進行壓榨，多次水洗過濾除去剩余糖分，并烘干備用；實驗所用水為超純水。

1.2 熒光碳量子點制備

將甘蔗渣粉末分散于蒸餾水中，然后倒入聚四氟乙烯內襯不銹鋼反應釜里，密封后將反應釜置于一定溫度下恒溫反應一定時間，然后自然冷卻至室溫，打開反應釜，將所得的產物超聲分散，然后離心分離，除去沉淀，對所獲得的上層液進行透析，最后將產品冷凍干燥一定時間，獲得產物在紫外燈照射下發藍色熒光的碳量子點。

2 結果與討論

2.1 透射電鏡分析

從普通透射電鏡中可以得出，所制備的碳量子點有一個較為廣泛的粒徑分布，由幾個納米至十幾個納米不等。從高分辨透射電鏡可以看出，以甘蔗渣為原料制備的碳量子點粒徑大小均勻，大約為5-10nm，且具有晶格條紋，其晶間距為0.32nm。

2.2 原子力顯微鏡分析

從所制備的碳量子點的原子力顯微鏡圖，可以得出其粒徑約為2-20 nm，具有較寬的粒徑分布。

2.3 紅外光譜分析

從碳量子點的紅外光譜圖可以看出，3433cm-1吸收峰對應O-H氫鍵的伸縮振動，1700cm-1和1623cm-1吸收峰分別屬于CO和CC伸縮振動峰；在1000-1500cm-1內的吸收峰對應C-O鍵的伸縮振動和O-H鍵彎曲振動吸收，表明樣品表面有一定的羥基、羧基等官能團。

2.4 紫外和熒光光譜分析

碳量子點在紫外吸收區域沒有一個很明顯的吸收峰，但是有一個寬的吸收波譜，這很可能是由于量子點的一個比較寬的粒徑分布。制得的碳量子點在水溶液中具有較好的分散性，能保持半年以上無沉淀產生。同時，在365nm的紫外燈照射下，溶解于水的量子點溶液發出強的藍光.為進一步研究所得到的碳量子點的光學性質，采用F4500熒光分光光度計在不同的激發波長激發碳量子點后得到一系列光致發光光譜。碳量子點與其他大部分發光碳納米粒子的熒光光譜圖一樣，都依賴于激發波長，呈現出多元激發、多元發射的熒光光譜特性。當激發波長向長波方向移動時，熒光發射峰也隨之紅移。當激發波長從300-480nm變化時，其最大發射峰位置和強度也隨之變化，發光強度是先增加后降低；其中360nm左右達到最佳激發波長。從以360nm的波長作為激發波長獲得的熒光發射譜圖可以看出，最強的發射峰出現在450nm左右，整個發射峰覆蓋在420-550nm之間，屬于藍光范圍，這與波長為365nm的紫外燈照射下觀察到的藍光發射是一致的。

同時，對所獲得的碳量子點進行了熒光量子產率的測定。我們認為熒光碳量子點的形成是由于甘蔗渣中的主要成分如纖維素、木質素、可能的剩余糖分等碳水化合物在水熱條件下進行碳化，形成了具有熒光性能的碳量子點。

3 結論

采用生物質廢棄物甘蔗渣作為碳源，利用水熱法制得了良好分散性的碳量子點，對其熒光性能進行了分析，發現具有一定的熒光性能，發射波長依賴于激發波長，呈現出多元激發、多元發射的熒光光譜特性。這種制備方法為我們進一步采用其他生物質原料為碳源，制備具有熒光性能的碳納米材料提供了實驗方法。

參考文獻：

[1] NIETO D C， RANGEL M J R. In situ transformation of agave bagasse into activated carbon by use of an environmental scanning electron microscope [J]. Microporous and Mesoporous Materials， 2013， 167（1） ： 249-253.

[2] PUMOMO C W， SALIM C， HINODE H. Effect of the activation method on the properties and adsorption behavior of bagasse fly ash-based activated carbon[J]. Fuel Processing Technology，2012，102（1） ： 132-139.

[3] SI W J， WU X Z， XING W， et al. Bagasse-based nanoporous carbon for supercapacitor application [J]. Journal of Inorganic Materials， 2011， 26（1） ： 107-112.

作者簡介：練麗華（1998.2-），女，漢族，廣東茂名人，廣西梧州學院2016級本科生，研究方向：林產化學加工工程。

基金項目：廣西自治區級大學生創新創業訓練項目（編號：201711354107、201711354104）；梧州學院校級開放實驗室創新性實驗項目（編號：2017015、2017017、2017019、2017021）。