碳点及其复合材料的制备和固态发光性能的研究.pdf

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1、学校代码：10564学号：2013200802分类号：O69密级：硕士学位论文碳点及其复合材料的制备和固态发光性能的研究陈永豪指导教师：刘应亮教授雷炳富教授学院名称：材料与能源学院专业名称：应用化学答辩委员会主席：刘泉林教授中国·广州2016年6月摘要碳点是一种具有独特光致发光性能的零维碳纳米材料，在生物成像、信息安全、光催化、传感和光电器件等领域有巨大的应用前景。到目前为止，该领域的绝大部分工作都是关于碳点水溶液的荧光性能及应用，而依然很少有报道涉及到碳点杂化固相材料和碳点团聚体的固态发光性能及相关的应用。所以，在本工作中，我们将开展碳点及其复合材料制备的研究，同时还对其固态

2、荧光的性能、机理和应用前景进行深入探讨，为碳点的进一步发展和在新兴领域的应用奠定基础。相关研究的概要如下：2+（1）采用碳点、Sr2Si5N8:Eu荧光粉和正硅酸乙酯为原料，通过一步溶胶-凝胶法制备碳点-二氧化硅-荧光粉（CDSP）复合材料。该材料具有双发射的核壳结构，其中二氧化硅层除了作为碳点的分散媒介外，还担当连接碳点和荧光粉之间的桥梁。CDSP在近紫外区具有强吸收，适合用于制备紫外激发的白光LED。通过改变激发波长或原料的比例，可调控发光颜色，并能获得白光。得益于CDSP的较均匀的核壳结构，CDSP-环氧树脂相比于CD&P-环氧树脂有更好的抗团聚和相分离性。利用CDSP和

3、环氧树脂封装的白光LED，其显色指数高达94。（2）通过一步水热法处理聚乙烯醇和有机胺，合成了具有固态荧光性质的氮掺杂碳点（NCD）。此碳点表面富含PVA链，其巨大的空间位阻能有效防止在团聚态时发生的π-π堆叠作用所造成的荧光淬灭现象的发生。在抗自淬灭的基础上，能量共振转移和激发依赖使得NCD粉末的荧光相对于溶液态中的荧光有更大的红移，从而呈现黄绿色固态荧光。基于上述结果，实现了固态荧光颜色的调控，即以PVA为碳源，以不同的胺类化合物为氮源或不进行氮掺杂，合成了具有不同固态荧光（橙色、黄色、黄绿色和白色）的碳点粉末；或将较低浓度的NCD均匀掺杂于淀粉基质中，获得了蓝色荧光。此外

4、，还首次通过采用单一荧光体，在增加溶剂极性和进行超声处理的手段下，构建了一种新型的双荧光形貌来获得白光发射。基于该理念，还成功制备了白光LED。另外，还合成了NCD-PMMA薄膜和NCD/PVA气凝胶，证明NCD可以加工成不同形态以满足不同应用的需要。（3）对上述NCD粉末是优异的抗湿性进行较深入研究，认为这一独特的性能继承自原料PVA。NCD团聚体表面的PVA链之间形成较强的氢键，能有效阻止空气中的水分子渗透并潮解NCD粉末，从而使其保持稳定的刚性结构。由于发光中心的刚I性化作用，来自三重态的无辐射跃迁能得到有效地遏制，最终导致了室温磷光现象的发生。本部分工作还分析讨论了氧气

5、对NCD粉末室温磷光的影响，认为表面大量存在的PVA链通过氢键交联，起到阻隔氧气的作用，能有效地防止氧气扩散到NCD粉末内部而造成三重态的淬灭。此外，还初步探讨了NCD粉末磷光及固态荧光在温度传感方面应用的可能性。关键词：碳点；核壳结构；白光发射；自淬灭；团聚体；固态荧光；双荧光形貌；抗湿性；固体基质室温磷光IIPreparationandSolid-StateLuminescenceofCarbonDotsandRelevantCompositesYonghaoChen(CollegeofMaterialsandEnergy,SouthChinaAgriculturalUni

6、versity,Guangzhou510642,China)Abstract:Carbondots(CDs),apromisingzero-dimensionalcarbonnanomaterial,havebeendevelopedforbioimaging,security,photocatalysis,sensorsandphotoelectronicdevices.SofarmostofthestudieshavefocusedonthefluorescenceofCDsinaqueoussurrounding,butthereisonlylittleworkabout

7、thesolid-statefluorescencefromCDshybridizedwithsolidmatrices,nottomentiontheoneinaggregationstate.ThestatusofinsufficientresearchesandinformationmayretardthefurtherdevelopmentofCDs.Inthiswork,therefore,weconcentrateonpreparingtheCDsforsolid-statefl