碳量子点简介PPT课件
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在此以后，人们发展了电化学氧化石墨，石墨烯，碳 纤维和碳黑制备碳量子点的新技术以及一系列新型的 制备方法。
碳量子点（CQDs）
碳量子点（CQDs）是以粒径小于10 nm的碳质骨架 和表面基团构成的荧光纳米材料。碳量子点具有毒 性小、生物相容性好、发光波长可调、易于功能化 等突出优势而备受关注 CQD具有的优势： 1.快速的光生电子传递 2.电子储存性能 3.良好的上转换光致发光能力 目前为止，在生物成像、荧光传 感、有机光伏、发光二极管和催 化领域表现出了潜在的应用价值。
化学修饰碳量子点实现表面钝化
化学修饰碳量子点实现发光调控
不同温度下制备的氨基 化碳量子点水溶液
化学修饰碳量子点实现功能化应用
CQDs 和 N-CQDs 的透射电镜照片
CQDs 和 N-CQDs 的光致发光谱和在自然光以
（a）和（b）和尺寸分布图（c）
及紫外灯下的照片
和（d）
（左边是 CQDs 溶液，右边是 N-CQDs 点溶
碳量子点结构示意图
制备碳量子点的方法通常分为两大类：自上而下法 和自下而上法。
自上而下法主要是通过物理 或化学方法将大尺寸的碳前 驱体（如石墨、石墨烯、碳 纳米管、碳纤维以及碳黑等） 切割成小尺寸的碳量子点， 主要包括电弧放电、激光刻 蚀、电化学氧化、化学氧化 和水热法等。
自下而上法是以小分子 作为前驱体，通过一系 列化学反应得到尺寸更 大的碳量子点，主要包 括热解法、微波法、燃 烧法以及溶液化学法等
在 2004 年，Xu 等在纯化电弧放电制备单壁碳纳米 管过程中，首次观测到了发光的碳纳米粒子,亦称碳 量子点。
2006 年，克莱蒙森大学的孙亚平等第一次用激光刻蚀 方法合成出碳量子点
2007年，从蜡烛燃烧的烟灰中分离出尺寸小于 2 nm 的具有不同发光的碳量子点。同年，以多壁碳纳米管 为原料通过电化学氧化制备出发蓝光的碳量子点
电子受体修饰，产生负电场，能 带向上弯曲，反之，向下。
ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 8363−8376表面基团影响碳量子点带隙弯曲情况示意图
主要内容
碳量子点研究简史 碳量子点简介 碳量子点的基本性质 碳量子点制备方法 碳量子点的化学修饰 基于碳量子点的复合物 总结
碳量子点研究简史
1985 年报道了零维的碳纳米材料富勒烯 1991 年发现了一维的碳纳米管 2004 年制备出了具有二维结构的石墨烯。于此同时，
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/31
带隙弯曲方向与弯曲程度的理论推导 碳量子点表面有很多缺陷形成可见光带隙，这些能带将会不 断的从内部向表面移动，形成带隙弯曲。带隙弯曲诱发电势 会影响电子和空穴的分离效率，因此可以通过表面带隙弯曲 寻求表面基团与性能之间的关系。 导致表面带隙弯曲的原因主要来自表面原子分布和类型。 对于向下的弯曲，表面存在正电势，电子加剧移动到表面， 引起自由电子的增加，空穴的减少。对于向上的弯曲，表面 存在负电势，正电荷加速移动到表面，引起自由电子的减少 ，空穴的增加。碳量子点从内部到表面的带隙弯曲程度可以 通过光致发光来衡量。
液。
通过改变反应温度、氮源和氮源加入
顺序研究了氨基化过程中影响碳量子
碳量子点氨基化示意图 点发光的因素，确定出了获得高发光
Adv Mater, 2012, 24:45694573. Phys Chem Chem Phys, 2012,
强度的Baidu Nhomakorabea基化碳量子点的最佳反应条
碳量子点表面嫁接不同基团会影响其光致发光和 光催化行为。实验结果表明基团改性后 N-CQDs 荧光强度最强，几乎是 O-CQDs 和 Cl-CQDs 强度 的 15-40 倍，但催化效率最低。Cl-CQDs 的催化 效率最高，在 2 min 之内就可以完全降解亚甲基 蓝，随反应温度和氯化亚砜加入量的不同光催化 效率也不同
Biosensors and Bioelectronics 81 (2016) 143–150
上转换发光，即:反-斯托克斯发光(Anti-Stokes)， 由斯托克斯定律而来。斯托克斯定律认为材料只能受 到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就 是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。比 如紫外线激发发出可见光，或者蓝光激发出黄色光， 或者可见光激发出红外线。但是后来人们发现，其实 有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果， 于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光。
1.结晶性质
2.光学性质 虽然到目前为止，碳量子点的发光机理仍然不明确， 存在诸多争议，但其发光性质具有一些基本特征。 如：发光具有尺寸和激发波长的依赖性，发光稳定、 无光漂白现象。此外，还发现碳量子点的发光具有 pH 依赖性，存在上转换发光和电化学发光现象 3.细胞毒性和生物兼容性
CQDs良好的上转换光致发光能力为全谱太阳光 的应用提供了新的思路及方向 但是，针对CQDs自身较弱的电子传输性能这一制 约其发展的关键性因素，研究人员立足于碳前驱 体源头创新，围绕CQDs的可控构筑、电子传输及 光催化有机物制备机理等开展了系统深入的研究
通过化学方法在碳量子点表面引入不同基团可以 调控其光致发光和光催化性能，这对今后碳量子 点复合材料的制备以及光的能量转化奠定了基础 。但各个基团在碳量子点表面存在的形式对其性 能的影响还需要进一步的研究
Chem.Soc.Rev.,2015,44, 362--381
碳量子点电子转移的机制
当一个具有能量的光子射入碳量子点时，其会产生光生电子-空 穴对,光激发产生的电子空穴对有两个主要变化结果：
（1）激发态的电子经过热振动移动到激发态的最底端，然后回 到基态与空穴相结合，一部分发生辐射复合放出光子。(复合)
（2）形成的空穴和电子被分离且分别迁移到碳量子点表面，它 们可以将吸附在碳量子点表面的羟基和水分子氧化成·OH，这 些小分子具有很强的氧化能力，可以降解有机物。(分离)
从上述光生电子、空穴的“去向”可以看出，如果想要增强碳 量子点发光强度，就需要增强电子空穴对的复合几率，而要提 高其光催化效率，需要促使光生电子和空穴对的有效分离。
碳量子点（CQDs）
碳量子点（CQDs）是以粒径小于10 nm的碳质骨架 和表面基团构成的荧光纳米材料。碳量子点具有毒 性小、生物相容性好、发光波长可调、易于功能化 等突出优势而备受关注 CQD具有的优势： 1.快速的光生电子传递 2.电子储存性能 3.良好的上转换光致发光能力 目前为止，在生物成像、荧光传 感、有机光伏、发光二极管和催 化领域表现出了潜在的应用价值。
化学修饰碳量子点实现表面钝化
化学修饰碳量子点实现发光调控
不同温度下制备的氨基 化碳量子点水溶液
化学修饰碳量子点实现功能化应用
CQDs 和 N-CQDs 的透射电镜照片
CQDs 和 N-CQDs 的光致发光谱和在自然光以
（a）和（b）和尺寸分布图（c）
及紫外灯下的照片
和（d）
（左边是 CQDs 溶液，右边是 N-CQDs 点溶
碳量子点结构示意图
制备碳量子点的方法通常分为两大类：自上而下法 和自下而上法。
自上而下法主要是通过物理 或化学方法将大尺寸的碳前 驱体（如石墨、石墨烯、碳 纳米管、碳纤维以及碳黑等） 切割成小尺寸的碳量子点， 主要包括电弧放电、激光刻 蚀、电化学氧化、化学氧化 和水热法等。
自下而上法是以小分子 作为前驱体，通过一系 列化学反应得到尺寸更 大的碳量子点，主要包 括热解法、微波法、燃 烧法以及溶液化学法等
在 2004 年，Xu 等在纯化电弧放电制备单壁碳纳米 管过程中，首次观测到了发光的碳纳米粒子,亦称碳 量子点。
2006 年，克莱蒙森大学的孙亚平等第一次用激光刻蚀 方法合成出碳量子点
2007年，从蜡烛燃烧的烟灰中分离出尺寸小于 2 nm 的具有不同发光的碳量子点。同年，以多壁碳纳米管 为原料通过电化学氧化制备出发蓝光的碳量子点
电子受体修饰，产生负电场，能 带向上弯曲，反之，向下。
ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 8363−8376表面基团影响碳量子点带隙弯曲情况示意图
主要内容
碳量子点研究简史 碳量子点简介 碳量子点的基本性质 碳量子点制备方法 碳量子点的化学修饰 基于碳量子点的复合物 总结
碳量子点研究简史
1985 年报道了零维的碳纳米材料富勒烯 1991 年发现了一维的碳纳米管 2004 年制备出了具有二维结构的石墨烯。于此同时，
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/31
带隙弯曲方向与弯曲程度的理论推导 碳量子点表面有很多缺陷形成可见光带隙，这些能带将会不 断的从内部向表面移动，形成带隙弯曲。带隙弯曲诱发电势 会影响电子和空穴的分离效率，因此可以通过表面带隙弯曲 寻求表面基团与性能之间的关系。 导致表面带隙弯曲的原因主要来自表面原子分布和类型。 对于向下的弯曲，表面存在正电势，电子加剧移动到表面， 引起自由电子的增加，空穴的减少。对于向上的弯曲，表面 存在负电势，正电荷加速移动到表面，引起自由电子的减少 ，空穴的增加。碳量子点从内部到表面的带隙弯曲程度可以 通过光致发光来衡量。
液。
通过改变反应温度、氮源和氮源加入
顺序研究了氨基化过程中影响碳量子
碳量子点氨基化示意图 点发光的因素，确定出了获得高发光
Adv Mater, 2012, 24:45694573. Phys Chem Chem Phys, 2012,
强度的Baidu Nhomakorabea基化碳量子点的最佳反应条
碳量子点表面嫁接不同基团会影响其光致发光和 光催化行为。实验结果表明基团改性后 N-CQDs 荧光强度最强，几乎是 O-CQDs 和 Cl-CQDs 强度 的 15-40 倍，但催化效率最低。Cl-CQDs 的催化 效率最高，在 2 min 之内就可以完全降解亚甲基 蓝，随反应温度和氯化亚砜加入量的不同光催化 效率也不同
Biosensors and Bioelectronics 81 (2016) 143–150
上转换发光，即:反-斯托克斯发光(Anti-Stokes)， 由斯托克斯定律而来。斯托克斯定律认为材料只能受 到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就 是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。比 如紫外线激发发出可见光，或者蓝光激发出黄色光， 或者可见光激发出红外线。但是后来人们发现，其实 有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果， 于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光。
1.结晶性质
2.光学性质 虽然到目前为止，碳量子点的发光机理仍然不明确， 存在诸多争议，但其发光性质具有一些基本特征。 如：发光具有尺寸和激发波长的依赖性，发光稳定、 无光漂白现象。此外，还发现碳量子点的发光具有 pH 依赖性，存在上转换发光和电化学发光现象 3.细胞毒性和生物兼容性
CQDs良好的上转换光致发光能力为全谱太阳光 的应用提供了新的思路及方向 但是，针对CQDs自身较弱的电子传输性能这一制 约其发展的关键性因素，研究人员立足于碳前驱 体源头创新，围绕CQDs的可控构筑、电子传输及 光催化有机物制备机理等开展了系统深入的研究
通过化学方法在碳量子点表面引入不同基团可以 调控其光致发光和光催化性能，这对今后碳量子 点复合材料的制备以及光的能量转化奠定了基础 。但各个基团在碳量子点表面存在的形式对其性 能的影响还需要进一步的研究
Chem.Soc.Rev.,2015,44, 362--381
碳量子点电子转移的机制
当一个具有能量的光子射入碳量子点时，其会产生光生电子-空 穴对,光激发产生的电子空穴对有两个主要变化结果：
（1）激发态的电子经过热振动移动到激发态的最底端，然后回 到基态与空穴相结合，一部分发生辐射复合放出光子。(复合)
（2）形成的空穴和电子被分离且分别迁移到碳量子点表面，它 们可以将吸附在碳量子点表面的羟基和水分子氧化成·OH，这 些小分子具有很强的氧化能力，可以降解有机物。(分离)
从上述光生电子、空穴的“去向”可以看出，如果想要增强碳 量子点发光强度，就需要增强电子空穴对的复合几率，而要提 高其光催化效率，需要促使光生电子和空穴对的有效分离。