表面活性剂诱导的氮掺杂石墨烯量子点自组装成花状杂化材料

2020-11-02高琴琴刘妮娟

云南化工 2020年10期

高琴琴，刘妮娟

（西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州 730070）

石墨烯量子点（GQDs）是一类新型碳纳米材料，由于末端含有丰富的含氧官能团[1]、易于制备、价格低廉、较强的发光以及生物相容性等已在许多领域引起了广泛关注。而氮掺杂的石墨烯量子点（N-GQDs）相比于GQDs具有较强的荧光性能。DODA是双十八烷基链的阳离子表面活性剂，具有相对简单的结构，类似于细胞膜中的磷脂[2]。用DODA作为凝胶剂[3]，大多数选择与无机物结合的报道都集中在与多金属氧酸盐（POM）[4]、金属簇[5]、金属量子点[6]的结合上，负电荷的碳量子点（CQDs）与简单的表面活性剂（CTAB）在水中混合，以建立稳定的荧光囊泡[7]。此外，还有一些DODA和带负电的纳米晶体[8]通过静电相互作用结合在一起。

本文主要研究了阳离子表面活性剂诱导NGQDs自组装形成花状结构。主要是N-GQDs与DODA离子交换后，得到了DODA／N-GQDs的有机／无机杂化材料。该杂化材料在十二烷中能形成稳定性凝胶。

1 N-GQDs、DODA／N-GQDs杂化凝胶的合成与表征

1.1 试剂与仪器

柠檬酸、尿素、双十八烷基二甲基溴化铵、UV-2550分光光度计、荧光光谱仪（FL）、TEM（JEM-1200EX，JEOL）和SEM（ULTRA plus）、X射线光电子能谱（XPS）。

1.2 N-GQDs、DODA／N-GQDs凝胶的制备

1.30 g柠檬酸和1.02 g尿素溶在50 mL去离子水中。水热反应160°C下6h。反应结束后加入适量乙醇，静置过夜。离心、透析、冷冻干燥。

将适量的N-GQDs溶解在30 mL蒸馏水中，将1.000 g的DODA溶解在二氯甲烷中。将含有DODA的二氯溶液滴加到N-GQDs的相中。NGQDs与DODA发生静电结合。收集有机相，即可获得DODA／N-GQDs杂化材料。

将一定量的杂化材料样品溶解在1.0 mL的十二烷中，并加热至完全溶解。然后将溶液缓慢冷却至室温。最后，倒置不滴落，即已成凝胶。

1.3 N-GQDs及杂化材料的表征

图1a为N-GQDs的荧光光谱。

图1 （a）、（b）和（c）分别是N-GQDs的FL光谱、XPS全谱和TEM图像

图1中，最佳激发波长为353 nm，最佳发射波长为438 nm；插图为紫外-可见光谱，234 nm处和340 nm处吸收峰分别归因于C═C中的π-π*和C═O中的n-π*跃迁。XPS全谱（图1b）中看出，N-GQDs包含C，N和O三个主要元素，含量分别为67.94%、7.98%和24.08%。这证实了N原子掺入到GQDs[9]。从图1d的TEM中看出晶格间距0.24 nm对应于石墨烯的[002]界面，说明得到的是N-GQDs。插图为粒径分布，粒径大小约为2～3 nm。此外电位值为-18.3eV，证明其表面为负电荷。

适量的杂化材料在十二烷中加热完全溶解，冷却至室温时，形成凝胶。图2为凝胶的SEM和光学显微镜图片。

图2 在十二烷中的复合材料的SEM图像

由于杂化材料的烷基链之间，以及杂化材料与溶剂十二烷之间的疏水相互作用使其自组装成花状结构，如图2（a-d）所示。从图2中看出，不同N-GQDs含量的凝胶的自组装结构均是花状。说明获得的凝胶结构具有良好的稳定性。图2e为静置30d后含有4% N-GQDs的凝胶。与图2d相比，凝胶静置30天前后的自组装结构没有明显变化，说明凝胶的稳定性良好。另外，图2f光学显微镜也证明了其花状的结构。