1.4表征與性能評價(jià)

1.4.1產(chǎn)物表征

通過紅外吸收光譜測試每一步反應(yīng)是否進(jìn)行；通過納米激光粒度分析儀測量兩種碳量子點(diǎn)CQDs和N-CQDs的粒徑分布情況，表征其碳量子點(diǎn)粒徑特征；通過紫外分光光度計(jì)和熒光分光光度計(jì)分別測量兩種碳量子點(diǎn)的紫外吸收光譜和不同激發(fā)波長下的熒光能量數(shù)值，表征兩種碳量子點(diǎn)的熒光特征。

1.4.2性能評價(jià)

通過計(jì)算CQDs與N-CQDs的熒光量子產(chǎn)率評價(jià)兩種碳量子點(diǎn)的熒光性能。熒光量子產(chǎn)率是指具有熒光性質(zhì)的物質(zhì)在光化學(xué)反應(yīng)中發(fā)射出的熒光光子數(shù)與其吸收的激發(fā)光光子數(shù)的比，通常用φ表示[19]，φ的數(shù)值越大，說明其熒光性能越好。熒光量子產(chǎn)率的計(jì)算采用參比法，本實(shí)驗(yàn)采用硫酸奎寧參比計(jì)算(313 nm激發(fā)波長下的熒光量子產(chǎn)率為0.54)。

以分水時(shí)間法測試產(chǎn)物的乳化性能[20]，分別記錄水相分出5 mL水和10 mL水所需時(shí)間。

以振蕩法測試產(chǎn)物的起泡性能和穩(wěn)泡性能[21]，以5 min后泡沫體積與初始泡沫體積比為穩(wěn)泡性能評價(jià)指標(biāo)。

以產(chǎn)物水溶液在不同質(zhì)量濃度下的表面張力來評價(jià)產(chǎn)物降低表面張力的能力(表面張力的數(shù)值用表面張力儀測定)。測定不同質(zhì)量濃度下產(chǎn)物水溶液的表面張力來確定產(chǎn)物在水溶液中的臨界膠束濃度(CMC)以及臨界膠束濃度下界面張力γCMC。

2.結(jié)果與分析

2.1表征結(jié)果分析

2.1.1紅外吸收光譜

圖2是CQDs、N-CQDs與R-(N-CQDs)的紅外吸收光譜，在3 430 cm-1處的吸收峰是O-H和N-H伸縮振動(dòng)，相比于N-CQDs，R-(N-CQDs)在此處的吸收峰較弱，說明在N-CQDs基礎(chǔ)上發(fā)生了一定程度的烷基化反應(yīng)，而CQDs在此處的峰比N-CQDs與R-(N-CQDs)的峰要窄，因?yàn)镃QDs上只存在O-H的伸縮振動(dòng)，在2 924 cm-1和2 824 cm-1處的吸收峰是C-H的伸縮振動(dòng)，R-(N-CQDs)在此處的吸收峰比N-CQDs的要強(qiáng)。1 660 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于酰胺基團(tuán)C=O鍵的拉伸振動(dòng)，1 385 cm-1處的峰為C-O伸縮振動(dòng)，1 085 cm-1處的峰為胺類烷基的C-N振動(dòng)，R-(N-CQDs)在此處的峰較N-CQDs更為明顯，而CQDs在此處看不到任何吸收峰，進(jìn)一步說明在R-(N-CQDs)在N-CQDs的基礎(chǔ)上完成烷基化改性成功引入碳長鏈。圖2表明實(shí)現(xiàn)了將氮原子摻雜到碳量子點(diǎn)中的目標(biāo)，并且在此基礎(chǔ)上引入了碳長鏈對其進(jìn)行表面修飾。

圖2紅外吸收光譜

2.1.2產(chǎn)物粒徑分布

圖3是CQDs和N-CQDs的粒徑分布直方圖。由圖3可知，兩種碳量子點(diǎn)的粒徑分布都比較均勻，CQDs粒徑集中分布在(5.25±0.5)nm，N-CQDs粒徑集中分布在(6.31±0.5)nm，且都在10 nm以下，符合碳量子點(diǎn)的粒徑特征。此外，N-CQDs的粒徑整體略大于CQDs，可能是由于氮原子的摻雜打破了碳量子點(diǎn)的完整晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碳量子點(diǎn)發(fā)生晶格畸變和扭曲，進(jìn)而影響形成的碳量子點(diǎn)的粒徑。

圖3 CQDs和N-CQDs的粒徑分布

2.1.3紫外-可見吸收光譜

圖4(a)是CQDs與N-CQDs的紫外-可見吸收光譜。與CQDs的吸收光譜相比，N-CQDs在波長為350 nm處有一個(gè)明顯的吸收峰，這是酰胺基團(tuán)中的C=O的n→π躍遷所致，在長波段方向出現(xiàn)吸收帶。這也表明氮原子已被成功引入碳量子點(diǎn)中。圖4(b)是以參比法計(jì)算熒光量子產(chǎn)率CQDs和N-CQDs以及硫酸奎寧的紫外吸收光譜對比，從圖4(b)可以看出，三者吸光度在波長為300~400 nm區(qū)間內(nèi)基本接近，且數(shù)值上沒有超過0.05，滿足量子產(chǎn)率計(jì)算條件要求，可以此濃度為基礎(chǔ)計(jì)算熒光量子產(chǎn)率。

圖4紫外-可見吸收光譜

2.1.4熒光發(fā)射光譜

圖5是CQDs、N-CQDs及硫酸奎寧的紫外-可見吸收光譜接近且小于0.05(圖4(b))時(shí)在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜，由于硫酸奎寧是以此參比法作為已知條件用于計(jì)算碳量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，所以本研究不涉及硫酸奎寧的光譜法。由圖5可知，當(dāng)激發(fā)波長為320~380 nm時(shí)，CQDs和N-CQDs都具有一定的熒光強(qiáng)度數(shù)值，說明兩者都具有明顯的熒光性質(zhì)。圖5(a)和圖5(b)中插圖是兩者的水溶液及其在365 nm激發(fā)波長下顯現(xiàn)藍(lán)色熒光狀態(tài)，這也能反映出制備的兩者具備明顯的熒光性質(zhì)。此外，CQDs的最大發(fā)射波長為451 nm，最大激發(fā)波長為370 nm；而N-CQDs的最大發(fā)射波長為446 nm，最大激發(fā)波長為360 nm，說明摻氮對碳量子點(diǎn)的電子環(huán)境產(chǎn)生了部分影響，調(diào)整了碳量子點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)并改變了碳量子點(diǎn)的表面態(tài)，從而使激發(fā)波長和發(fā)射波長都發(fā)生了改變。

圖5 CQDs和N-CQDs在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜

2.2性能分析

2.2.1熒光量子產(chǎn)率

對圖5中不同激發(fā)波長下CQDs和N-CQDs的熒光發(fā)射光譜計(jì)算熒光積分強(qiáng)度后計(jì)算不同激發(fā)波長下的熒光量子產(chǎn)率(硫酸奎寧在313 nm激發(fā)波長下的熒光強(qiáng)度積分為22 860.61，吸光度為0.028 63)，結(jié)果見表1。

表1 CQDs和N-CQDs的熒光量子產(chǎn)率

從表1可看出，相比不摻氮的碳量子點(diǎn)，摻氮極大地提高了碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率。本實(shí)驗(yàn)制備出的氮摻雜碳量子點(diǎn)在最大激發(fā)波長為360 nm處的熒光量子產(chǎn)率達(dá)到了47%。此前報(bào)道的碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率大多分布在43%以下[8-9,22-23]，大多集中在10%~30%之間，只有極少數(shù)超過50%[18]，所以本實(shí)驗(yàn)制備出的氮摻雜碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率屬于高水平區(qū)間。