碳量子点简介课件
碳量子点的制备与介绍
碳量子点的制备与介绍碳量子点（Carbon Quantum Dots，CQDs）是一种直径小于10纳米的碳基纳米材料。
它们具有许多优良的性质，如较高的化学稳定性、优异的光学性能和生物相容性，因此在生物医学、能源存储和光电器件等领域具有广泛的应用潜力。
本文将介绍碳量子点的制备方法以及它们的一些主要特性。
首先，我们来看一下碳量子点的制备方法。
目前有几种常用的方法用于合成碳量子点，包括炭化物热解法、水热法和微波辐射法等。
下面分别介绍这些方法。
炭化物热解法是一种将有机化合物热解得到碳量子点的方法。
一般来说，选择含有碳、氮和氧等原子的有机化合物作为前体材料，通过高温热解反应将有机分子分解生成碳量子点。
这种方法可以制备出具有较窄的光谱带宽、较高的量子产率和较好的稳定性的碳量子点。
水热法是一种简单易行的方法用于制备碳量子点。
简单而言，将有机化合物溶解于溶剂中，加入适量的酸碱物质进行反应，在高温高压的条件下，有机分子会发生裂解生成碳量子点。
这种方法制备的碳量子点具有较高的荧光量子产率、较大的布朗运动和较好的稳定性。
微波辐射法是一种利用微波辐射加热的方法制备碳量子点。
通过将有机化合物溶解于溶剂中，放入微波反应器中，利用微波辐射来加热溶液，有机分子会裂解生成碳量子点。
这种方法制备的碳量子点具有较快的反应速率、较窄的发射峰宽度和较高的量子产率。
接下来，我们来看一下碳量子点的一些主要特性。
首先，碳量子点具有较高的化学稳定性，能够在不同的环境条件下保持其光学性能和稳定性。
其次，碳量子点具有优异的光学性能，具有较高的荧光量子产率和较窄的发射峰宽度，可以在可见光范围内发光。
此外，碳量子点还具有较好的生物相容性，可以应用于生物医学领域，如成像和药物传递等。
最后，碳量子点还可以应用于能源存储和光电器件等领域，如太阳能电池和光电催化等。
综上所述，碳量子点是一种新型的纳米材料，具有许多优秀的性质和潜在应用。
随着对其制备方法的不断优化和对其性质的深入研究，相信碳量子点在各个领域中的应用将得到更大的拓展和发展。
碳量子点简介.
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 点发光的因素，确定出了获得高发光 强度的氨基化碳量子点的最佳反应条
CQDs 和 N-CQDs 的光致发光谱和在自然光以 及紫外灯下的照片 （左边是 CQDs 溶液，右边是 N-CQDs 点溶 液。
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 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
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。
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。
碳量子点简介PPT课件
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。
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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。
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
碳量子点
碳量子点的应用
碳量子点的光催化应用
碳量子点可用于催化还原反应 。 Wang等[22]通过光激发碳量子 点和硝酸银反应，可以还原银，增加银表面积等。Ming 等[23]通 过电化学一步合成碳量子点，对环境友好，是多层石墨烯的氧化物 ，具有非常好的光转换发光性质，阳光下可以降解甲基橙。合成的 C-dots 主要是多层石墨烯氧化物， 具有较高的光转换发光性质 ， 表现出类似过氧化物酶的功能， 并且在可见光下对甲基橙降解有光 催化活性 。碳量子点修饰的光电极可以在一定条件下产生光电流， 可用于太阳能坚持？材料的掺杂可以转化为电的光从从紫外区延伸 至近红外区[24] 。Guo 等[25] 探索了基于碳量子点的一种新型的 、 环境友好型的光电子设备。C-dots 也被用于光限幅领域。
合成方法3
天然气或者蜡烛的燃烧残渣可以用来制备碳 纳米量子点。Mao等人将玻璃片至于燃烧的蜡烛 火焰上方收集蜡烛灰，将蜡烛灰在硝酸中氧化回 流12小时，在通过离心，透析，凝胶电泳等手段 进行分离，可以得到具有不同发光性质的碳纳米 量子点。 Gianneilis等还建立了通过热分解低熔点分 子一步合成表面秀水？的亲水或亲油的碳量子点 的方法。
小结
5
碳量子点是纳米材料领域中非常受关注的材料，通过电化学合成方法，以简单的材料来源，
低廉的制作成本，合成的简单快速，比传统量子点优越的性能，低的细胞毒性，良好的生物 相容性，环境友好型等优点，被大家广泛的研究。我们需要对碳量子点的发光机理做更深入
的研究，正因为碳量子点的相比较传统的半导体纳米晶体的优点，碳量子点将在生物的研究，
合成方法2
通过激光剥蚀的方法也可以合成碳量子点。 例如，将石墨粉和水泥混合后，烘烤，固话，热 处理后获得碳靶，高温高压下，Ar气流中通过激 光对碳靶进行灼烧。将产物在硝酸溶液中回流过 夜酸化后获得尺寸为3到10nm的碳量子点。 激光剥蚀法制作碳量子点的方法比较多样， 这只是其中的一种制备碳量子点方法。激光剥蚀 方法制备的碳量子点比较复杂，操作繁琐。
碳量子点(cqds) 石墨炔量子点
碳量子点(cqds)是一种具有纳米尺度的碳基材料，具有优异的光电性能和化学稳定性，近年来受到了广泛关注。
其中，石墨炔量子点作为一种特殊的碳量子点，在光催化、光电器件、生物成像等领域展现出了巨大的应用潜力。
本文将从以下几个方面详细介绍碳量子点和石墨炔量子点的相关研究进展。
一、碳量子点的制备方法碳量子点的制备方法包括化学氧化方法、电化学法、微波辐射法、激光剥离法、等离子体法等多种途径。
其中，化学氧化方法是最为常见的制备方法之一，通过碳前体的酸碱处理、氧化剥离等步骤，可制备出具有一定量子效应的碳量子点。
二、石墨炔量子点的结构与性质石墨炔量子点具有类似于石墨炔结构的碳原子排列，拥有较小的带隙、较高的导电性和光催化活性。
石墨炔结构的引入使得石墨炔量子点在光电器件中表现出了良好的性能，同时在生物成像领域也表现出了巨大的潜力。
三、碳量子点在光催化中的应用碳量子点作为一种优异的光催化剂，可用于水分解、二氧化碳还原、有机污染物降解等反应。
石墨炔量子点在光催化中的应用研究表明，其具有较高的光催化活性和稳定性，为光催化反应的高效进行提供了可能。
四、石墨炔量子点在生物成像中的应用石墨炔量子点具有较好的生物相容性和荧光性能，被广泛应用于生物成像领域。
其在细胞标记、组织成像、药物传递等方面的应用研究成果丰硕，为生物医学领域的发展带来了新的机遇和挑战。
五、碳量子点的应用前景碳量子点及其衍生物在光电器件、生物成像、光催化等领域的广泛应用展现出了巨大的潜力，但也面临着制备方法简单化、性能稳定化、应用系统化等方面的挑战。
未来的研究方向将集中在碳量子点的制备与改性、性能调控与机制解析、应用拓展与产业化等方面，以期为碳量子点的应用提供更为坚实的基础和保障。
碳量子点和石墨炔量子点作为当前领域的研究热点，其在光电器件、生物成像、光催化等领域的应用前景广阔，但仍需加大基础研究和工程应用方面的投入，以推动碳量子点在相关领域的深入应用与开发。
希望本文的内容能为相关研究和应用工作提供一定的参考和借鉴，期待碳量子点在未来能够迎来更加灿烂的发展。
碳量子点综述
碳量子点综述引言碳量子点作为一种新型纳米材料，具有独特的光电性能和化学性质，在光电子学、催化剂、生物传感器等领域显示出巨大的应用潜力。
本文将对碳量子点的合成方法、表征手段、光电性能以及应用前景进行综述。
一、碳量子点的合成方法碳量子点的合成方法主要包括溶液法、热解法和激光剥离法等。
其中，溶液法是最常用的合成方法之一，通过碳前体的溶液反应、热解或光解来制备碳量子点。
热解法则是利用高温下碳前体的热解过程来合成碳量子点。
激光剥离法则是利用激光辐射对石墨烯等碳材料进行剥离来得到碳量子点。
二、碳量子点的表征手段为了对碳量子点进行准确的表征，科学家们发展了多种手段，包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱等。
透射电子显微镜可以观察到碳量子点的形貌和尺寸分布情况，扫描电子显微镜则能够提供更高分辨率的表面形貌信息。
紫外-可见吸收光谱和荧光光谱可以分析碳量子点的光学性质，如吸收峰位、荧光强度等。
三、碳量子点的光电性能碳量子点具有优异的光电性能，表现为宽带隙、可调节的荧光发射和高量子产率等特点。
由于碳量子点的尺寸效应和边界效应，其带隙可以在可见光范围内调节，这为其在光电子器件中的应用提供了可能。
此外，碳量子点还具有较高的荧光量子产率和长寿命，使其在生物成像、荧光探针等领域有着广泛的应用前景。
四、碳量子点的应用前景碳量子点在各个领域都显示出了广阔的应用前景。
在光电子学领域，碳量子点可以用于太阳能电池、光电转换器等器件的制备；在催化剂领域，碳量子点可以作为催化剂载体或催化剂本身，用于催化反应的加速；在生物传感器领域，碳量子点可以作为荧光探针，用于生物标记和生物成像等应用。
结论碳量子点作为一种新型纳米材料，具有独特的光电性能和化学性质，在光电子学、催化剂、生物传感器等领域具有广泛的应用前景。
随着合成方法的不断改进和表征手段的完善，碳量子点的性能和应用将得到进一步的提升。
合成碳量子点方法总结 ppt课件
Chem. 2C0o20m/1m2/2u7n., 2015, 51, 2544--2546
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L. Li e2t0a20l/.1,2J/o27urnal of Materials Chemistry B 5, 7328-7334 (2017).
碳源：菠菜 荧光颜色：红色 尺寸：3~11 nm lex/lem: 440/680 nm QY：15.34%19
碳源：鸡蛋壳 荧光颜色：蓝色 尺寸：~5 nm lex/lem: 365/450 nm QY：14% 线性范围：0.5~80 μmol L—1 检测限：0.48 μmol L—1
Q. Wang, X. Liu, L. Zhang, Y. Lv, Microwave-assisted synthesis of carbon nanodots through an eggshell membrane and their
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碳源：柠檬酸 荧光颜色：蓝色 尺寸：~0.9 nm QY：47% 掺杂硅元素
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Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 1027–1031
ACS2N02a0/n12o/227016, 10, 484−491 IF：13.942
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碳源：对苯二胺 荧光颜色：各种 尺寸：~2.6 nm QY：24% 层析分离
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2.2 Carbon sources
化学物质
•葡萄糖、蔗糖、丙三醇、柠檬酸……
绿色来源的前体化合物
•菠菜（2017） •草莓汁（2013）、蛋壳（2012）、樟脑（2014）、 康乃馨（2016）、猪肉（2018）、苹果汁 （2015）、甘蔗汁（2014）、心里美（2016）、 燕麦（2015） •圣罗勒叶（2017）
碳量子点简介
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 （a）和（b）和尺寸分布图（c） 和（d）
碳量子点氨基化示意图
Adv Mater, 2012, 24:4569-4573. Phys Chem Chem Phys, 2012, 14:7360-7366.
电子受体修饰，产生负电场，能 带向上弯曲，反之，向下。
表面基团影响碳量子点带隙弯曲情况示意图
ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 8363−8376
一般认为尺寸、结构和表面态均会影响碳量子点的性 能，但是越来越多的研究表明，在一定尺寸和特定的 合成条件下，表面基团是影响碳量子点性能的关键因 素。目前关于表面基团对碳量子点性能的影响还没有 系统的认识和研究，所以通过制备表面含有不同基团 的碳量子点，较为系统的研究其对碳量子点性能的影 响对碳量子点的广泛应用具有极高的科研价值。
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
现以基于半导体纳米材料及其复合材料 的传感器为例来说明光电化学传感器的 工作原理。 当受到能量大于或等于禁带宽度的光照 射时，半导体吸收相应能量的光子，产 生电子-空穴对（e--h+）。所产生的这个 光生电子和空穴，一种可能是再复合 （图 1A 中的 Kr 过程），另一种可能是 导带上的电子转移到外电路（图 1A 中的 Ke 过程）或者溶液中的电子受体上（图 1A 中的 Kc 过程），从而产生光电流， 如1A。 如果导带上的电子转移到电极上, 而同时 溶液中的电子供体又转移电子到价带的 空穴上, 则产生阳极光电流，如图 1B(a)； 相反，如果导带上的电子转移到溶液中 的电子受体上，同时电极上的电子转移 到价带的空穴上，则产生阴极光电流， 如图 1B(b)。然后使光生电子或空穴参与 有效信号产生的过程。
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碳量子点简介
1
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
碳量子点简介
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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，
• 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
碳量子点简介
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Chem.Soc.Rev.,2015,44, 362--381
基团改性碳量子点对碳量子点性能影响的机理
及紫外灯下的照片
和（d）
（左边是 CQDs 溶液，右边是 N-CQDs 点溶
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, 24:4569-4573. Phys Chem Chem Phys, 2012, 14:7360-7366.
碳量子点简介
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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
碳量子点简介
碳量子点结构示意图
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。
碳量子点简介
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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。
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碳量子点制备方法
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。
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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。
碳量子点简介
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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
• 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)
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。
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碳量子点的基本性质
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
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。
碳量子点简介
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• 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。
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。
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• 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
碳量子点简介
10Байду номын сангаас
碳量子点的化学修饰
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
碳量子点简介
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氨基化碳量子点
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）
强度的氨基化碳量子点的最佳反应条
碳量子点简介
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• 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