广西特产甘蔗渣水热碳化产物的制备

练丽华 赖晓霞 梁君夏

摘要：以富含纤维素的废弃生物质甘蔗渣为原料，采用水热法合成了具有荧光性能的碳量子点。对碳量子点进行了表征，其粒径大小约为5-10nm；在紫外灯照射下发蓝色荧光，对其荧光性能进行了研究，发现其具有多元激发、多元发射的性质。

关键词：荧光碳量子点；甘蔗渣；水热碳化

甘蔗渣是指甘蔗经过榨糖之后剩下的部分，它来源集中、产量大，是一种重要的可再生生物资源。它的成分以纤维素，半纤维素以及木质素为主，木质化程度高，蛋白、淀粉和可溶性糖含量较少。以甘蔗渣作为制备碳材料的来源也有报道，如Nieto-Delgado[1]和Purnomo等[2]采用甘蔗渣作为原料制备活性炭，Zhuo等[3]以甘蔗渣制备活性炭并将其应用于超级电容器。本研究选用富含纤维素的废弃生物质甘蔗渣作为碳源，采用绿色环保的水热碳化技术，制备具有荧光性能的碳量子点，为废弃生物质材料的利用开辟了一个新的途径。

1 实验

1.1 主要原料

甘蔗进行压榨，多次水洗过滤除去剩余糖分，并烘干备用；实验所用水为超纯水。

1.2 荧光碳量子点制备

将甘蔗渣粉末分散于蒸馏水中，然后倒入聚四氟乙烯内衬不锈钢反应釜里，密封后将反应釜置于一定温度下恒温反应一定时间，然后自然冷却至室温，打开反应釜，将所得的产物超声分散，然后离心分离，除去沉淀，对所获得的上层液进行透析，最后将产品冷冻干燥一定时间，获得产物在紫外灯照射下发蓝色荧光的碳量子点。

2 结果与讨论

2.1 透射电镜分析

从普通透射电镜中可以得出，所制备的碳量子点有一个较为广泛的粒径分布，由几个纳米至十几个纳米不等。从高分辨透射电镜可以看出，以甘蔗渣为原料制备的碳量子点粒径大小均匀，大约为5-10nm，且具有晶格条纹，其晶间距为0.32nm。

2.2 原子力显微镜分析

从所制备的碳量子点的原子力显微镜图，可以得出其粒径约为2-20 nm，具有较宽的粒径分布。

2.3 红外光谱分析

从碳量子点的红外光谱图可以看出，3433cm-1吸收峰对应O-H氢键的伸缩振动，1700cm-1和1623cm-1吸收峰分别属于CO和CC伸缩振动峰；在1000-1500cm-1内的吸收峰对应C-O键的伸缩振动和O-H键弯曲振动吸收，表明样品表面有一定的羟基、羧基等官能团。

2.4 紫外和荧光光谱分析

碳量子点在紫外吸收区域没有一个很明显的吸收峰，但是有一个宽的吸收波谱，这很可能是由于量子点的一个比较宽的粒径分布。制得的碳量子点在水溶液中具有较好的分散性，能保持半年以上无沉淀产生。同时，在365nm的紫外灯照射下，溶解于水的量子点溶液发出强的蓝光.为进一步研究所得到的碳量子点的光学性质，采用F4500荧光分光光度计在不同的激发波长激发碳量子点后得到一系列光致发光光谱。碳量子点与其他大部分发光碳纳米粒子的荧光光谱图一样，都依赖于激发波长，呈现出多元激发、多元发射的荧光光谱特性。当激发波长向长波方向移动时，荧光发射峰也随之红移。当激发波长从300-480nm变化时，其最大发射峰位置和强度也随之变化，发光强度是先增加后降低；其中360nm左右达到最佳激发波长。从以360nm的波长作为激发波长获得的荧光发射谱图可以看出，最强的发射峰出现在450nm左右，整个发射峰覆盖在420-550nm之间，属于蓝光范围，这与波长为365nm的紫外灯照射下观察到的蓝光发射是一致的。

同时，对所获得的碳量子点进行了荧光量子产率的测定。我们认为荧光碳量子点的形成是由于甘蔗渣中的主要成分如纤维素、木质素、可能的剩余糖分等碳水化合物在水热条件下进行碳化，形成了具有荧光性能的碳量子点。

3 结论

采用生物质废弃物甘蔗渣作为碳源，利用水热法制得了良好分散性的碳量子点，对其荧光性能进行了分析，发现具有一定的荧光性能，发射波长依赖于激发波长，呈现出多元激发、多元发射的荧光光谱特性。这种制备方法为我们进一步采用其他生物质原料为碳源，制备具有荧光性能的碳纳米材料提供了实验方法。

参考文献：

[1] NIETO D C， RANGEL M J R. In situ transformation of agave bagasse into activated carbon by use of an environmental scanning electron microscope [J]. Microporous and Mesoporous Materials， 2013， 167（1） ： 249-253.

[2] PUMOMO C W， SALIM C， HINODE H. Effect of the activation method on the properties and adsorption behavior of bagasse fly ash-based activated carbon[J]. Fuel Processing Technology，2012，102（1） ： 132-139.

[3] SI W J， WU X Z， XING W， et al. Bagasse-based nanoporous carbon for supercapacitor application [J]. Journal of Inorganic Materials， 2011， 26（1） ： 107-112.

作者簡介：练丽华（1998.2-），女，汉族，广东茂名人，广西梧州学院2016级本科生，研究方向：林产化学加工工程。

基金项目：广西自治区级大学生创新创业训练项目（编号：201711354107、201711354104）；梧州学院校级开放实验室创新性实验项目（编号：2017015、2017017、2017019、2017021）。