基于生物质材料的碳量子点的制备与性质探究

◆北京市第三十五中学 周嫣然 李依晨 李笑然 朱子寒 杜春燕

本期点评专家

张永强中学高级教师，湖南省十佳科技教师。科普中国2021年十大科普人物奖获得者，全国校园发明创意大赛、湖南省青少年科技创新大赛、湖南省创新编程与智能设计大赛、湖南省科学调查体验活动评审专家组成员。

量子点是一种新型纳米级半导体材料，通常为直径在2～20 nm的球形或类球形结构，在外加电场或紫外光照射下会发出特定的荧光，又被称为“荧光量子点”。量子点一般从铅、镉和硅的混合物中提取，普遍有毒，对环境也有很大的危害。碳量子点仅由碳原子组成，对环境友好、低毒，成为显示和照明技术发展的潜在候选者。

因此，探究稳定廉价碳量子点的制备及其荧光范围至关重要，也是目前研究的热点问题。生物质材料易获取且环保，由其制备的碳量子点水溶性好，可解决量子点的低毒等问题。基于此，我们决定在学校的科技实验课上进行实验。本项实验中，我们将采用热解反应，从榴莲壳等多种生物质碳化粉末中提取碳量子点，并初步探究不同的材料及不同酸碱性的溶剂对所得碳量子点性质的影响。

一、实验原理

本次实验使用“自下而上”合成法，将生物质材料完全碳化，形成原子级别的碳原子，再用不同溶剂的溶液提取碳量子点。

二、实验步骤

（一）制备碳量子点溶胶

将果壳、果皮、果肉等洗净后切成长度不超过3 cm的块状，添加少量花生（或不添加）后均匀地置于托盘上，再放入烘箱，在230 ℃环境下烘烤1小时直至其完全碳化后放入研钵，将其研磨成粉末。

分别取20 mL的去离子水、质量分数分别为5%、10%和15%的CH3COOH溶液以及物质的量浓度为0.1 M、0.5 M和1.0 M的NaOH溶液倒入试管，再取0.3 g碳化粉末倒入试管，将试管口密封后用超声波清洗仪振荡5分钟，取出并静置2 小时。用滤纸将试管里的溶液过滤至烧杯中，得到碳量子点溶胶，如图1所示。

图1 5%的CH3COOH溶液提取的5种碳量子点的荧光图片（从左到右碳源依次为橘皮、榴莲壳、榴莲壳加花生、椰壳、椰肉）

（二）碳量子点溶胶的表征

将待测溶胶放入紫外可见分光光度计，选定测量波长200～700 nm，测量紫外可见吸收光谱。将待测溶胶放入荧光光谱仪，设定激发波长360 nm，其他条件保持不变，测定待测溶胶的荧光波长和荧光强度。将待测溶胶放入纳米粒度仪，采集数据5分钟，测量平均粒径和粒径分布。

三、实验过程与讨论

（一）基于橘皮制备的碳量子点（O-CQDs）的性质

将不同溶剂提取的橘皮碳量子点O-CQDs置于紫外光下照射，发现其均具有一定的荧光，但荧光强度各不相同，5%CH3COOH溶液提取的O-CQDs荧光强度最大。

进一步对其进行粒径和紫外吸收光谱的测试发现，所有O-CQDs的平均粒径均小于10 nm，且紫外吸收光谱在200～300 nm范围内表现出较强的碳量子点的特征，可以确认其属于碳量子点。

（二）基于榴莲壳制备的碳量子点（D-CQDs）的性质

我们将榴莲壳碳源拆分为两组，在榴莲壳碳化的基础上添加花生，制作一组含氮榴莲壳碳量子点（D&PCQDs），以探究花生中蛋白质所含氮杂原子的增加对所得碳量子点的影响。

图2 不同浓度的CH3COOH溶液及去离子水提取的O-CQDs的荧光强度 （截图）

图3 不同溶液提取的O-CQDs的紫外可见吸收光谱（截图）

荧光测试结果表明，榴莲壳与橘皮的荧光强度规律相似，浓度越低的CH3COOH溶液充当溶剂制备的碳量子点的荧光强度越高。稀释后的NaOH组远低于去离子水制备的碳量子点的荧光强度。在制备榴莲壳碳量子点的过程中加入花生后，所得碳量子点D&PCQDs的荧光强度远高于单独的榴莲壳组别。

图4 不同浓度的CH3COOH溶液提取的碳量子点D&PCQDs的荧光强度（截图）

我们对比两组的实验数据发现，由榴莲壳制备的碳量子点荧光强度均高于橘皮组的荧光强度。经分析，该组数值偏高的原因主要在于，榴莲壳含糖量高达13%，橘皮含糖量低于榴莲壳的，仅有6.01%。不同溶液提取的D-CQDs的平均粒径仍小于10 nm，确定其属于碳量子点。

鉴于实验中NaOH组的荧光强度普遍低于去离子水组的，我们仅保留一组0.1 M NaOH溶液作为参考。

（三）基于椰壳制备的碳量子点（C-CQDs）的性质

我们分析利用不同溶液提取的椰壳碳量子点C-CQDs的粒径发现，NaOH溶液提取的溶胶平均粒径超过10 nm，不符合碳量子点的表征。结合其在200～300 nm的紫外可见吸收光谱发现，吸光度明显低于其他组的，因此，我们判断NaOH组无法制备出椰壳碳量子点。

CH3COOH浓度对C-CQDs荧光强度的影响规律与前述相同，CH3COOH质量分数为5%所得的C-CQDs的荧光强度最大，但相比基于榴莲壳制备的碳量子点D-CQDs仍然过低。

（四）基于椰肉制备的碳量子点的性质

为了研究材料成分和结构对所得碳量子点性质的影响，我们还制备了基于椰肉的碳量子点。在不同提取液样品的紫外吸收光谱中，发现椰肉组样品的吸收峰与其他样品的不一致，其在200～300 nm处具有两个不同于纳米材料平滑峰的尖峰。

查阅文献后我们了解到，椰肉中含有脂肪，脂肪氧化生成脂肪酸。我们认为波峰的差异在于该组原材料并未完全碳化，椰肉中有油脂残存，这部分油脂混杂在制备的碳量子点内，使吸光度发生改变。

图5 不同溶液提取的椰肉碳量子点的紫外可见吸收光谱（截图）

进一步分析所得样品的粒径发现，NaOH组提取的样品粒径远超过10 nm，不符合碳量子点的概念，因此再次确定NaOH溶液无法提取得到碳量子点。

椰肉组碳量子点的荧光测试结果表明，椰肉碳量子点的荧光强度规律与其他果皮的明显不符，重复实验后发现该组数据并未出现错误。在溶液pH值小于7时，CH3COOH浓度越高，其对应的碳量子点的荧光强度越大。

查阅文献后我们了解到，含有饱和脂肪酸的棕榈油能吸收293 nm和309 nm的紫外光并向外发射荧光，327 nm时的荧光强度随体积分数的增大而增大。饱和脂肪酸与CH3COOH相似相溶，随着CH3COOH的浓度增大，溶于CH3COOH溶液的饱和脂肪酸增加，故荧光强度增大。

四、研究结论

（一）实验探究了碳源对所得碳量子点的性质的影响，利用常见的橘皮、榴莲壳、椰壳、椰肉等生物质材料，通过高温加热、研磨、过滤的方法成功制备出碳量子点。

（二）在榴莲壳中加入少许花生，改变碳源的含氮浓度，发现该实验组的荧光强度最大，其纳米材料的特征吸收峰也很明显，证明改变碳源种类会影响碳量子点的荧光强度、吸光度以及粒径等性质。

（三）实验同时探究了提取液的浓度对碳量子点性质的影响，采用去离子水、不同浓度的CH3COOH溶液和NaOH溶液制备碳量子点，结果表明5%的CH3COOH溶液提取出的碳量子点的荧光性质最强。椰肉中残留的饱和脂肪酸会影响所得碳量子点的荧光性质。

五、实验感想

利用生物质材料经过简单加工就能得到神秘的纳米材料，这和我们想象的完全不一样。建议大家将废弃的果壳、果皮、果肉等集中存放，交由专业机构再次利用，助力资源回收。

此次实验围绕纳米材料展开，将纳米材料制备与我们身边的常见食品及资源回收利用问题结合，拓展了我们的思维，提升了我们的实践创新能力。同时，我们还学会了如何设计多变量实验，如何对实验结果进行统计、分析和对比。

专家点评

该项目具有如下优点：1.既有良好的出发点又有完善的科学理论支撑，文章整体思路清晰，结构紧密；2.作者进行了全面、大量的实验，对基于榴莲壳等生物质材料为碳源的碳量子点的制备，从生产原料到制备质量等多个方面进行了广泛评估；3.作者对实验结论的讨论严谨，详细描述，解释了实验结果，具备相应的理论依据，使实验结果有力地反映了最后的结论；4.文章各部分相互印证，提高了文章整体的可信度。将纳米材料制备与常见食品及资源回收利用问题结合，实验设计全面且合理，研究内容有趣且富有意义。

提出如下建议：1.“分别取20 mL的去离子水、质量分数分别为5%、10%和15%的CH3COOH溶液以及物质的量浓度为0.1 M、0.5 M和1.0 M的NaOH溶液”，建议统一溶液的单位，如都用摩尔浓度表示，或都用质量百分数表示；2.文中“进一步对其进行粒径和紫外吸收光谱的测试发现，所有O-CQDs的平均粒径均小于10 nm”，仅借助家用厨具设备进行研磨，达到10 nm的可能性有待进一步确认。