基于生物質煙灰的碳量子點的制備及性能

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(1. 中國科學院 蘭州化學物理研究所， 清潔能源化學與材料實驗室， 甘肅 蘭州730000；2. 中國日用化學工業研究院， 山西 太原030001)

1 前言

碳量子點(Carbon quantum dots, CQDs)是繼富勒烯、納米碳管、石墨烯之后被發現的一種粒徑通常小于10 nm的新型熒光碳質納米材料。它自2004年被Xu等在純化納米碳管中意外發現后就受到研究者的廣泛關注[1]。碳量子點具有良好的水溶性、光穩定性、無毒及好的生物相容性[2,3]，這使其能夠取代傳統有機染料[4]和無機半導體量子點[5]廣泛應用于生物成像、藥物傳遞及光電領域[6-8]。合成碳量子點的方法主要有電弧放電[1]、激光刻蝕[9]、電化學氧化[10]、酸氧化[11]以及水熱法[12]等。相比之下，電弧放電、激光刻蝕和電化學氧化需要較為復雜的設備，且能源消耗較大；水熱法因其綠色合成已被廣泛用來合成碳量子點(糖類，花粉，柳皮等生物質資源及有機小分子)[13-16]，其制備的碳量子點熒光量子產率(Φ)較高，缺點是產率往往比較低，不適合大規模制備。相比之下，酸氧化法所需設備簡單，操作簡便，適合碳量子點的規模化制備。迄今為止，已有多種原料被嘗試作為碳源通過酸氧化法制備碳量子點，包括蠟燭[17]或天然氣[18]燃燒產生的灰燼，活性炭[19]，煤[20-22]，甘蔗渣[23]，廢米糠[24]，石油焦[25-27]等。但是這些材料相對來源不足，所制碳量子點的發射波長偏短，且Φ低。

中國的生物質資源非常豐富，農作物秸稈資源量超過7.2億t，其中6.04億t可作能源使用。秸稈資源是新能源中最具開發利用規模的一種綠色可再生能源。在中國傳統民居中，以各種農作物秸稈及喬木為代表的生物質長期以來在能源構成中占據重要地位，由此產生了儲量豐富的煙道灰。……