高热稳定性碳点及其荧光薄膜的制备

肖 斌，刘兴华，郑静霞，何品一，杨永珍

(太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024)

碳点(CDs)作为一种新型荧光碳纳米材料，具有良好的化学稳定性、易于功能化、高荧光强度和耐光漂白等优点，近些年已在白光发光二极管(LED)和激光二极管(LD)等照明器件中取得了突破性的进展[1-3]。目前大多数研究者的关注点主要集中在CDs的光学性质方面，但是，其作为荧光材料的热稳定性欠佳，影响了其照明器件的性能。因此，保持CDs优异光学性质的同时，提高其热稳定性势在必行。

尽管关于CDs热稳定性的改善研究取得了一定的进展，但是所制备的CDs在200 ℃以上时仍会发生不同程度的猝灭，其热稳定性仍有很大的提升空间[4-5]。王莹[6]将CDs在200 ℃下退火得到稳定性较好的CDs.另外，液态下的CDs荧光强度随着放置时间的延长可能降低，因此，为了使CDs的荧光性能保持较长时间，并满足照明器件要求，目前大多将CDs与各种聚合物复合制得荧光薄膜；制备的复合材料在具备CDs优良光学性能的同时，其荧光稳定性和热稳定性均可得到提升，这是由于CDs被有机聚合物的长链分子包裹后高度分散，有效避免了CDs之间的团聚。由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)和硅烷偶联剂具有优良的成膜性、高的热稳定性、较高的透明度、价格低廉且使用方便等优势，目前已经作为成膜剂在发光领域得到应用[7-11]。如，MAXIM et al[7]采用天然多糖制备得到双亲性蓝色荧光CDs，并且通过将该CDs分散在不同极性的PMMA和PVA中，分别制备出具有优异光学性能的CDs/PMMA复合薄膜和CD/PVA复合薄膜材料；张晴晴[8]以柠檬酸(CA)和N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-792)制备出具有荧光功能的复合薄膜。

本文采用一步水热法，通过改变反应体系中柠檬酸(CA)和2，7-二羟基萘的浓度，制备具有较高量子产率(QY)的CDs；并通过进一步退火处理得到热稳定性更优的CDs。然后，将三种不同成膜剂PMMA、PVA、KH-792作为分散剂和封装剂，与CDs荧光粉复合，制备光热稳定性好的荧光复合薄膜。通过透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)、荧光光谱仪(PL)和热重分析仪(TG)等对CDs及其复合薄膜的形貌、结构、荧光性能和热性能进行表征和测试，以期为激光等固态照明提供具有优良光学性质和热稳定性的CDs荧光材料。

1 实验材料与方法

1.1 实验试剂与设备仪器

本实验原料：CA(天津市光复科技发展有限公司)，2，7-二羟基萘(天津市光复科技发展有限公司)，去离子水(实验室自制)，PMMA(上海麦克林生化科技有限公司)，PVA(平均相对分子质量为1 750±50，国药集团化学试剂有限公司)，KH-792(东莞市山一塑化有限公司)，乙酸乙酯(上海麦克林生化科技有限公司)。

制备所用设备和仪器：电热鼓风干燥箱(GZX-9140MBE)，高压水热反应釜(100 mL)，微量移液枪(WKYIV-250)，电子天平(BS223S)等。

表征仪器：采用透射电子显微镜(TEM，JEOLJEM-2010)、拉曼光谱(Raman，LabRam HR Evolution)、X射线衍射光谱(XRD，Rigaku-D/MAX2500)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR，BRUKERTENSOR 27)和X射线光电子能谱仪(XPS，AXIS ULTRA DLD)对样品进行形貌和结构表征；采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis，HitachiU-3900)和荧光光谱仪(PL，爱丁堡FLS9800)对材料进行光学性能测试，采用紫外-可见-近红外漫反射光谱分析仪(UV-Vis-NIR，PE lambda 750)测试样品的透过率，采用热重分析仪(TG，DTG-60AH)进行热稳定性分析。

QY测试方法：CDs的QY采用相对法来测定。采用罗丹明6G为标准物质(溶剂为乙醇，激发波长为420 nm时QY为95%).首先采用UV-Vis测量标准物和CDs溶液在420 nm处的吸收度A(为避免内滤效应对样品吸收的影响，将A值控制在0.1以下)。分别取4个不同吸收度下的标准物溶液和CDs溶液，然后采用PL测量其在420 nm激发波长下的PL光谱。计算并记录发射波长范围在440～700 nm内的荧光积分强度值。以吸光度为横坐标、荧光积分强度为纵坐标作图，计算得出斜率。再根据以下公式[12]计算得到CDs的QY：

式中：Q为QY；K为斜率，n为溶液的折射率。下标x、st分别表示测试样品和标准物。

1.2 CDs的制备

采用水热法，通过改变溶剂中反应物浓度制备不同发光强度的CDs.将CA和2，7-二羟基萘(摩尔比1∶1)溶于去离子水(40 mL)中，得到质量浓度分别为11.5、34.5、69.0、103.5和138.0 mg/mL的反应溶液，制备的CDs分别记为A、B、C、D和E.将以上混合溶液添加到100 mL不锈钢高压釜的聚四氟乙烯内衬里，然后将高压釜转移到烘箱，并在200 ℃下保持14 h.将反应后的溶液在10 000 r/min转速下离心10 min，取上清液进行过滤提纯，得到发射绿色荧光的CDs，通过反应条件优化，将QY最高的产物，命名为Y-CDs；然后经过250 ℃退火2 h后得到黄绿色CDs，命名为YG-CDs.

1.3 CDs复合薄膜的制备

1) YG-CDs/PMMA薄膜的制备：首先，称取2 g PMMA于干燥的烧杯中，加入10 mL乙酸乙酯，将烧杯置于水浴磁力搅拌器中，在80 ℃下搅拌20～40 min至PMMA全部溶解，制得PMMA溶液，以备后续使用；然后，分别取0、2、6、10和14 mg的YG-CDs粉末至PMMA溶液中混合均匀，用移液枪依次取2 mL不同浓度的溶液，均匀滴加到离心管瓶盖内，室温下干燥48 h，分别得到纯PMMA薄膜和YG-CDs/PMMA复合薄膜(YG-CDs与PMMA质量比分别为1∶100、3∶100、5∶100和7∶100).

2) YG-CDs/PVA薄膜的制备：首先，称取2 g PVA于干燥的烧杯中，加入10 mL去离子水，将烧杯置于水浴磁力搅拌器中，在90 ℃下搅拌30 min至PVA全部溶于水中，制得PVA溶液，以备后续使用；然后，分别取0、2、6和10 mg的YG-CDs至PVA溶液中混合均匀，用移液枪依次取2 mL不同浓度的混合溶液，均匀滴加到离心管瓶盖内，在烘箱内于70 ℃干燥8 h，分别得到纯PVA薄膜和YG-CDs/PVA复合薄膜(YG-CDs与PVA质量比分别为1∶100、3∶100和5∶100).

3) YG-CDs/KH-792薄膜的制备：首先，称取0.1 g YG-CDs于干燥烧杯中，加入10 mL乙醇，在烧杯中搅拌至YG-CDs完全溶解，制得混合溶液，以备后续使用；然后，分别取1、2和3 mL CDs乙醇溶液与1 mL KH-792混合均匀，用移液枪依次取2 mL不同浓度的混合溶液与2 mL KH-792滴加到离心管瓶盖内，在烘箱内于70 ℃下干燥4 h，分别得到YG-CDs/KH-792薄膜(YG-CDs与KH-792体积比分别为1∶1、2∶1和3∶1)和纯KH-792薄膜。

2 实验结果与讨论

2.1 高QY的CDs的优选

为了获得光学性能优良的CDs，考察了不同反应物浓度对CDs荧光性能的影响。图1为五种不同反应物质量浓度(分别为11.5、34.5、69.0、103.5和138.0 mg/mL)下制备的CDs(A-E)在可见光(图1(a))和紫外灯(图1(b))照射下的照片。从图1(a)中可以看出，随着反应物质量浓度从11.5 mg/mL增加到138.0 mg/mL，其对应的CDs溶液在日光灯下几乎没有区别，均为透明的无色溶液；而在紫外灯照射下(图1(b))，随着反应物浓度的增加，其对应的CDs溶液发绿光，且荧光强度先增加后减弱，当反应物浓度为103.5 mg/mL时，CDs溶液(D)的荧光最强。

图1 CDs溶液(A-E质量浓度分别为11.5、34.5、69.0、103.5和138.0 mg/mL)在(a)可见光和(b)紫外灯(λex=365 nm)照射下的照片Fig.1 CDs solution with the mass concentration of 11.5, 34.5, 69.0, 103.5, and 138.0 mg/mL (A-E) under visible light (a) and ultraviolet light (λex=365 nm) (b)

图2 (a)CDs溶液的UV-Vis光谱；(b)CDs溶液的PL光谱(λex=360 nm)；(c)CDs溶液的QY斜率图(A-E质量浓度分别为11.5、34.5、69.0、103.5和138.0 mg/mL)Fig.2 (a) UV-Vis absorption spectra of CDs solution; (b) PL spectra of CDs solution (λex=360 nm); (c) QY measurement of CDs solution (A-E solution with the mass concentration of 11.5, 34.5, 69.0, 103.5, and 138.0 mg/mL, respectively)

2.2 CDs的形貌和结构

通过TEM对Y-CDs和退火后YG-CDs的形貌和结构进行表征，如图3(a，b)所示。从图中可以看出，退火前后的CDs分散性均好，无团聚现象，从插图的粒径分布图中可以得出退火前的Y-CDs平均粒径为(1.77±0.50) nm，主要分布在1.5～2.0 nm之间，退火后的YG-CDs平均粒径为(1.94±0.59) nm，同样主要分布在1.5～2.0 nm之间。说明退火前后的粒径相差不大，可能是由于退火处理仅仅消除了CDs表面的部分基团，减少了其缺陷，可提高其热稳定性。

图3 Y-CDs(a)和YG-CDs(b)的TEM图像和粒径分布图Fig.3 TEM image and particle size distribution (inset) of Y-CDs (a) and YG-CDs (b)

为了分析退火前Y-CDs和退火后YG-CDs的微观结构，进一步对其进行了Raman测试，如图4(a，b)所示。从图中可以发现Y-CDs和YG-CDs二者都有明显的G峰(1 590 cm-1)和D峰(1 350 cm-1)，Y-CDs的G峰和D峰强度之比IG/ID为0.99，YG-CDs的G峰和D峰强度之比IG/ID为1.16，可以看出YG-CDs的IG/ID增加，表明其具有更大的sp2共轭结构[14]，这是由于退火工艺减少了CDs缺陷，有利于其在LD激发下保持结构稳定。

图4 Y-CDs(a)和YG-CDs(b)的Raman光谱图Fig.4 Raman spectra of Y-CDs (a) and YG-CDs (b)

通过XRD测试分析了Y-CDs和YG-CDs的晶相结构，结果如图5所示。退火前的Y-CDs(图5(a))的XRD图谱中杂峰较多，说明其可能是无定形碳与聚合物分子的复合物，且聚合物分子占多数；而从退火后的YG-CDs(图5(b))可以看出，经过退火后杂峰消失，只在22.6°有一个衍射峰存在，说明YG-CDs主要由无定形碳组成，且具有一定程度的结晶性。

图5 Y-CDs(a)和YG-CDs(b)的XRD衍射图Fig.5 XRD patterns of Y-CDs (a) and YG-CDs (b)

图6 Y-CDs和YG-CDs的FTIR图Fig.6 FTIR spectra of Y-CDs and YG-CDs

图7 Y-CDs(a-c)及YG-CDs(d-f)的XPS图Fig.7 XPS spectra of Y-CDs (a-c) and YG-CDs (d-f)

2.3 CDs的荧光性能

图8 Y-CDs和YG-CDs的UV-Vis谱图Fig.8 UV-Vis absorption spectra of Y-CDs and YG-CDs

图9为不同激发波长下Y-CDs和YG-CDs的PL光谱图。从图9(a)中可以看出，Y-CDs随着激发波长的增大，其荧光强度先增强后减小，在激发波长为420 nm时，其荧光强度达到最大；并且随着激发波长的增大，Y-CDs的发射峰维持在532 nm，基本保持不变，具有激发独立的性质。

随着激发波长的增大，退火后的YG-CDs(图9(b))发射峰位置也基本维持在532 nm左右，但是在激发波长为420 nm以下时，由于存在两个发射峰，导致发射峰变宽；而420 nm以上时，只有一个明显的发射峰，依然具有激发独立性质。

2.4 CDs的热稳定性

照明器件，尤其是激光照明，需要荧光粉具有高热稳定性[17]。图10是Y-CDs和YG-CDs在氮气气氛下的TG曲线，从图中可以看出，退火前Y-CDs在200 ℃时失重接近30%，在250 ℃时失重达到50%.而退火后的YG-CDs在200和250 ℃时分别失重大约5%和10%，表明退火后的YG-CDs热稳定性更好，可满足照明器件对荧光粉的要求。

图9 Y-CDs(a)和YG-CDs(b)的PL光谱图Fig.9 PL spectra of Y-CDs (a) and YG-CDs (b)

图10 Y-CDs和YG-CDs的TG曲线(N2气氛)Fig.10 TG curves of Y-CDs and YG-CDs (N2 atmosphere)

2.5 CDs薄膜的性能

2.5.1CDs复合薄膜的发光性能

为了研究不同CDs用量对薄膜性能的影响，对YG-CDs进行了浓度梯度成膜实验，并对其荧光性能进行对比分析，以获得成膜性好的荧光薄膜。

对于YG-CDs/PMMA薄膜，依次制备了纯PMMA薄膜，以及YG-CDs与PMMA质量比分别为1∶100、3∶100、5∶100和7∶100的薄膜。图11(a)为YG-CDs/PMMA复合薄膜在可见光(上)和紫外光照射(下)的图片。从图中可以看出，在日光灯下YG-CDs/PMMA薄膜颜色随着YG-CDs在薄膜中浓度的增加而逐渐变深，在紫外光照射下均发出明亮的蓝光且发光强度逐渐增加；并且YG-CDs在PMMA基质中无团聚现象，且分散均匀，说明YG-CDs在薄膜中的分散性良好，其成膜性能良好。图11(b)依次对应不同质量比的YG-CDs/PMMA薄膜的PL光谱，可以看出，随着YG-CDs质量比依次增加，YG-CDs/PMMA薄膜的PL强度先增加后减小，当YG-CDs与PMMA的质量比为5∶100时，YG-CDs/PMMA薄膜的PL强度最大。这是因为当YG-CDs浓度太小时，其含量较少，导致其发光强度较低，随着浓度增大，发光强度逐渐增大，当达到一定浓度后，由于YG-CDs的聚集猝灭，可导致部分YG-CDs荧光消失。因此，YG-CDs与PMMA的质量比为5∶100为本研究范围内的最佳成膜配比。

图11 YG-CDs/PMMA薄膜在日光灯和紫外光照射下的照片(a)和PL谱图(b)Fig.11 Photograph of YG-CDs/PMMA films under sunlight and UV lamp (a) and their PL spectra (b)

对于YG-CDs/PVA薄膜，依次制备了纯PVA薄膜，以及YG-CDs与PVA质量比分别为1∶100、3∶100和5∶100的复合薄膜。图12(a)为YG-CDs/PVA复合薄膜在可见光(上)和紫外光照射(下)下的图片，可见，随着YG-CDs浓度的增加，YG-CDs/PVA薄膜在日光灯下颜色逐渐变深，在紫外光照射下依次发出明亮的蓝光和绿光；并且YG-CDs在薄膜中无团聚现象，分散均匀，说明YG-CDs薄膜的分散性良好，成膜性能较为良好。从图12(b)中YG-CDs/PVA薄膜在紫外光激发下的PL光谱可以看到，随着YG-CDs质量比依次增加，YG-CDs/PVA薄膜的PL强度先增加后减小，当YG-CDs与PVA的质量比为3∶100时，其复合薄膜荧光强度最大。因此，本研究范围内YG-CDs与PVA的最佳质量比为3∶100.

图12 YG-CDs/PVA薄膜在日光灯和紫外光照射下的照片(a)和PL谱图(b)Fig.12 Photograph of YG-CDs/PVA films under sunlight and UV lamp (a) and their PL spectra (b)

对于YG-CDs/KH-792，依次制备了纯KH-792薄膜和YG-CDs与KH-792体积比分别为1∶1、2∶1以及3∶1的复合薄膜。从YG-CDs/KH-792在可见光(上)和紫外光照射(下)下的图片(图13(a))可知，YG-CDs/KH-792薄膜成膜性能较为良好，在紫外光照射下依次发出明亮的蓝光、绿光和黄光。从YG-CDs/KH-792薄膜在紫外激发下的PL光谱(图13(b))可知，随着YG-CDs与KH-792的体积比依次增加，YG-CDs/KH-792薄膜的发光强度先增加后减小，当YG-CDs与KH-792的体积比为2∶1时，发光强度最大。因此，本研究范围内YG-CDs与KH-792的体积比为2∶1时，YG-CDs/KH-792薄膜的光学性能最佳。

图13 YG-CDs/KH-792薄膜在日光灯和紫外光照射下的照片(a)和PL谱图(b)Fig.13 Photograph of YG-CDs/KH-792 films under sunlight and UV lamp (a) and their PL spectra (b)

2.5.2YG-CDs复合薄膜的透光率

对上述不同YG-CDs复合薄膜的透过率进行测试(图14(a)-(c))，可以看到这三种YG-CDs基复合荧光薄膜在可见光范围内的透光率差别较小，而在紫外光范围内的透光率差别较大，这是由于随着YG-CDs浓度的增加，YG-CDs对紫外光的吸收强度逐渐增大，使得其复合薄膜在紫外光段的透光率逐渐减小。在390～780 nm的可见光范围内，各薄膜的透光率均保持在40%以上；而对于波长大于600 nm的可见光，其透光率都大于50%.所制备的复合薄膜在紫外光区透光率低而在可见光区透光率高的性质，有利于其在LD中的应用，不仅可以减小光的损失，而且可以减弱紫外光对人体的伤害。通过对比最佳配比下三种YG-CDs基复合薄膜的透过率曲线(图14(d))可以看出，三种薄膜在可见光范围内的透光率差别很小，均具有良好的透光性。

图14 YG-CDs复合薄膜的透过率曲线：成膜剂分别为(a)PMMA；(b)PVA；(c)KH-792；(d)最佳配比的复合膜Fig.14 Transmittance curves of YG-CDs composite films. Film-forming agents is (a) PMMA, (b) PVA, (c) KH-792, and (d) Their optimum composite films

2.6 YG-CDs复合薄膜的热稳定性

由于LD器件的工作环境温度较高，一般在250 ℃左右，因此所制备的YG-CDs复合薄膜需要具备良好的热稳定性。图15是Y-CDs、YG-CDs、YG-CDs/PMMA、YG-CDs/PVA以及YG-CDs/KH-792薄膜在氮气气氛下的TG曲线，从图中可以看出，退火前的Y-CDs在200 ℃时失重接近30%，在250 ℃时失重达到50%。而退火后YG-CDs和YG-CDs复合薄膜在250 ℃时失重均小于10%，表明退火后的YG-CDs的热稳定性较好。特别是，YG-CDs/KH-792薄膜在400 ℃时失重不到10%.

对比退火后的YG-CDs和复合薄膜的TG曲线可以看出，YG-CDs/PMMA薄膜和YG-CDs/PVA薄膜失重趋势大致相同，300 ℃以下时，同样温度下，其失重率仅略小于YG-CDs，说明YG-CDs与PMMA和PVA之间都未形成较强的相互作用力。这可能是由于YG-CDs与PMMA和PVA进行复合属于简单的物理混合，并未形成键合作用，导致其热稳定性未得到较大提升。而YG-CDs/KH-792薄膜的热稳定性相较YG-CDs/PMMA薄膜和YG-CDs/PVA薄膜得到了较大提升，在300 ℃以下时，几乎没有失重；在400 ℃时失重不到10%.具备了很高的热稳定性。这可能是由于YG-CDs与KH-792进行复合时，生成了二氧化硅结构，二氧化硅的包埋使得YG-CDs具有了足够的热稳定性。

图15 Y-CDs、YG-CDs以及YG-CDs最佳配比复合薄膜的TG曲线(N2气氛)Fig.15 TG curves of Y-CDs, YG-CDs, and YG-CDs composite films (N2 atmosphere)

综上，三种复合薄膜的热稳定性已基本满足LD荧光薄膜的要求，YG-CDs/KH-792薄膜的热稳定性更优，更有潜力应用于后续的激光器件研究。

3 结论

本文以柠檬酸和2，7-二羟基萘为反应原料，通过水热法制得Y-CDs；并对其进行退火处理，得到了热稳定性更优的YG-CDs；随后将YG-CDs与三种不同成膜剂(PMMA、PVA和KH-792)进行复合，得到热稳定性良好的复合荧光薄膜。主要结论如下：

1) 以柠檬酸和2，7-二羟基萘为反应原料，采用一步水热法合成CDs，改变反应物质量浓度(11.5、34.5、69.0、103.5和138.0 mg/mL)，优选获得反应物质量浓度为103.5 mg/mL时，量子产率为49%的Y-CDs.

2) 对Y-CDs进行250 ℃退火处理后得到具有更大sp2共轭结构的YG-CDs，其具有更高的热稳定性，250 ℃时仅失重10%.

3) 将退火后的YG-CDs作为荧光粉，与三种不同成膜剂进行复合，分别制备出不同浓度梯度的YG-CDs复合薄膜，各薄膜均表现出良好的均匀性，且三种薄膜在390～780 nm可见光范围内有良好的透光率，均达到40%以上。结果表明YG-CDs已完全分散进入成膜基质中，同时三种薄膜的热稳定性均得到提升，尤其YG-CDs/KH-792薄膜在400 ℃时失重不到10%.