RU2727388C1 - Method of producing carbon dots from birch bark precursor - Google Patents
Method of producing carbon dots from birch bark precursor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2727388C1 RU2727388C1 RU2020109026A RU2020109026A RU2727388C1 RU 2727388 C1 RU2727388 C1 RU 2727388C1 RU 2020109026 A RU2020109026 A RU 2020109026A RU 2020109026 A RU2020109026 A RU 2020109026A RU 2727388 C1 RU2727388 C1 RU 2727388C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soot
- solution
- carbon dots
- birch bark
- precursor
- Prior art date
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 38
- 235000018185 Betula X alpestris Nutrition 0.000 title claims abstract description 22
- 235000018212 Betula X uliginosa Nutrition 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000002243 precursor Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 239000004071 soot Substances 0.000 claims abstract description 35
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Natural products N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 7
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims abstract description 6
- 238000000502 dialysis Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 abstract description 3
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 21
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 6
- 239000011852 carbon nanoparticle Substances 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- -1 iron ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 3
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 231100000053 low toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 229910014033 C-OH Inorganic materials 0.000 description 1
- 244000050510 Cunninghamia lanceolata Species 0.000 description 1
- 229910014570 C—OH Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000086 high toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении люминесцентных материалов для светодиодов, в оптоэлектронных устройствах и биомедицине. The invention relates to nanotechnology and can be used in the manufacture of luminescent materials for LEDs, in optoelectronic devices and biomedicine.
Известно, что углеродные точки являются новым классом углеродных люминесцентных наноматериалов, которые пришли на смену традиционным полупроводниковым квантовым точкам, широкое применение которых ограничено из-за таких недостатков, как высокая токсичность, низкая биосовместимость, высокая стоимость и низкая химическая инертность. Наночастицы характеризуются низкой токсичностью, высокой биосовместимостью, хорошей химической инертностью и растворимостью. В связи с этим обладают большим потенциалом для применения в различных областях. It is known that carbon dots are a new class of carbon luminescent nanomaterials that have replaced traditional semiconductor quantum dots, the widespread use of which is limited due to such disadvantages as high toxicity, low biocompatibility, high cost, and low chemical inertness. Nanoparticles are characterized by low toxicity, high biocompatibility, good chemical inertness and solubility. In this regard, they have great potential for use in various fields.
При этом известно применение наночастиц при изготовлении сенсоров для определения концентрации ионов тяжелых металлов, например, в воде (см. CN №106629663 А, кл. B82Y 20/00, опубл. 10.05.2017; CN №104357048 А, кл. G01N 21/64, опубл. 18.02.2015; RU №2702418, кл. G01N 21/64, B82Y 40/00, опубл. 08.10.2019).It is known to use nanoparticles in the manufacture of sensors for determining the concentration of heavy metal ions, for example, in water (see CN No. 106629663 A, class B82Y 20/00, publ. 05/10/2017; CN No. 104357048 A, class G01N 21 / 64, publ. 18.02.2015; RU No. 2702418, class G01N 21/64, B82Y 40/00, publ. 08.10.2019).
В области синтеза углеродных точек известен способ получения углеродных квантовых точек на основе соломы (см. CN №110157423 А, кл. С09К 11/65, B82Y 20/00, B82Y 40/00, G01N 21/64, опубл. 18.04.2018), в котором посредством высокотемпературного кальцинирования соломы из биомассы, добавления воды для растворения и фильтрации получают углеродные точки с синей флуоресценцией. При этом, получаемые частицы предназначены для селективного обнаружения ионов железа в воде.In the field of the synthesis of carbon dots, a method for producing carbon quantum dots based on straw is known (see CN No. 110157423 A, class C09K 11/65, B82Y 20/00, B82Y 40/00, G01N 21/64, publ. 18.04.2018) in which blue fluorescent carbon dots are obtained by high-temperature calcination of biomass straw, addition of water for dissolution and filtration. In this case, the resulting particles are intended for the selective detection of iron ions in water.
Кроме того, известен способ получения голубых флуоресцентных углеродных точек (CDT) из полубитуминозных третичных высокосернистых индийских углей посредством влажного химического метода с помощью ультразвука (см. US №20180251678 А1, кл. С09К 11/65, С01В 32/15, С01В 32/184, С09D 5/22, C09D 7/12, G01N 33/58, опубл. 06.09.2018). In addition, there is a known method of obtaining blue fluorescent carbon dots (CDT) from sub-bituminous tertiary high-sulfur Indian coals by means of a wet chemical method using ultrasound (see US No. 20180251678 A1, class C09K 11/65, C01B 32/15, C01B 32/184 , C09D 5/22, C09D 7/12, G01N 33/58, publ. 09/06/2018).
При этом известные технические решения имеют локальный характер осуществления, включают многоступенчатые процессы синтеза и очистки, предусматривающие использование дорогостоящего специального оборудования и реактивов.In this case, the known technical solutions have a local implementation character, include multistage synthesis and purification processes, involving the use of expensive special equipment and reagents.
Способ синтеза углеродных наночастиц из сажи свечи (см. Haipeng Liu, Tao Ye, and Chengde Mao, Fluorescent Carbon Nanoparticles Derived from Candle Soot, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473 –6475, DOI: 10.1002/anie.200701271) заключается в получении флуоресцентных углеродных наночастиц из сажи, которая получается в процессе горения свечи с помощью окислительной обработки кислотой и использовании в процессе очистки электрофореза в полиакриламидном геле (ПААГ). Полученные углеродные наночастицы, которые были разделены на 9 разных фракций, обладают разными люминесцентными свойствами. A method for synthesizing carbon nanoparticles from candle soot (see Haipeng Liu, Tao Ye, and Chengde Mao, Fluorescent Carbon Nanoparticles Derived from Candle Soot, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473–6475, DOI: 10.1002 / anie. 200701271) consists in obtaining fluorescent carbon nanoparticles from soot, which is obtained during the combustion of a candle using oxidative treatment with acid and used in the cleaning process by electrophoresis in polyacrylamide gel (PAGE). The resulting carbon nanoparticles, which were separated into 9 different fractions, have different luminescent properties.
Недостатками известного способа являются недлительная стабильность раствора и сложный этап очистки углеродных наночастиц. The disadvantages of this method are short-term stability of the solution and a complex stage of purification of carbon nanoparticles.
Известен способ синтеза графеновых квантовых точек из сажи CX-72 (см. Yongqiang Dong, Congqiang Chen, Xinting Zheng, Lili Gao, Zhiming Cui, Hongbin Yang, Chunxian Guo, Yuwu Chi, Chang Ming Li, One-step and high yield simultaneous preparation of single- and multi-layer graphene quantum dots from CX-72 carbon black / J. Mater. Chem., 2012, 22, 8764, DOI: 10.1039/c2jm30658a), который заключается в химическом окислении сажи CX-72 азотной кислотой при повышенной температуре. A known method for the synthesis of graphene quantum dots from carbon black CX-72 (see Yongqiang Dong, Congqiang Chen, Xinting Zheng, Lili Gao, Zhiming Cui, Hongbin Yang, Chunxian Guo, Yuwu Chi, Chang Ming Li, One-step and high yield simultaneous preparation of single- and multi-layer graphene quantum dots from CX-72 carbon black / J. Mater. Chem., 2012, 22, 8764, DOI: 10.1039 / c2jm30658a), which consists in the chemical oxidation of CX-72 carbon black with nitric acid at increased temperature.
При этом в известном решении используют токсичные (опасные) соединения, дорогостоящие реактивы и способ включает многоступенчатые процессы синтеза и очистки.In this case, the known solution uses toxic (hazardous) compounds, expensive reagents and the method includes multistage synthesis and purification processes.
Известен способ синтеза оксид-графеновых квантовых точек из сажи, полученной при неполном сгорании древесины Cunninghamia lanceolata (см. Qiujun Lu, Cuiyan Wu, Dan Liu, Haiyan Wang, Wei Su, Haitao Li, Youyu Zhang, Shouzhuo Yao / Green Chem., 2017, 19, 900-904, DOI:10.1039/C6GC03092K). Сущность метода заключается во взаимодействии сажи и пероксида водорода при температуре 180°С в течение 90 мин в политетрафторэтиленовом автоклаве (гидротермальный синтез). A known method for the synthesis of oxide-graphene quantum dots from soot obtained by incomplete combustion of wood Cunninghamia lanceolata (see Qiujun Lu, Cuiyan Wu, Dan Liu, Haiyan Wang, Wei Su, Haitao Li, Youyu Zhang, Shouzhuo Yao / Green Chem., 2017 , 19, 900-904, DOI: 10.1039 / C6GC03092K). The essence of the method lies in the interaction of soot and hydrogen peroxide at a temperature of 180 ° C for 90 min in a polytetrafluoroethylene autoclave (hydrothermal synthesis).
Недостатками известного решения являются нестабильность полученных оксид-графеновых точек и использование относительно дорогих реактивов.The disadvantages of the known solution are the instability of the obtained oxide-graphene dots and the use of relatively expensive reagents.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в создании способа получения углеродных точек без поверхностной пассивации на основе оригинального прекурсора, характеризующегося относительной технологической простотой и экономичностью процессов синтеза.The problem to be solved by the claimed invention is expressed in the creation of a method for producing carbon dots without surface passivation on the basis of an original precursor, characterized by the relative technological simplicity and economy of synthesis processes.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в получении раствора углеродных точек из сажи, синтезированных простым гидротермальным методом, без использования дорогостоящего оборудования и реактивов. Получаемые растворы наночастиц нетоксичны, обладают высокой стабильностью и интенсивностью люминесценции.The technical effect obtained when solving the problem is expressed in obtaining a solution of carbon dots from soot synthesized by a simple hydrothermal method, without the use of expensive equipment and reagents. The resulting solutions of nanoparticles are non-toxic, have high stability and intensity of luminescence.
Для решения поставленной задачи способ получения углеродных точек из прекурсора бересты березы характеризуется тем, что в качестве прекурсора используют сажу, полученную из копоти после сжигания березовой коры, для чего, получают смесь, включающую следующие компоненты, в масс.ч.: деионизованная вода – 100; 25 % водный раствор аммиака – 35,8-36,2; сажа – 0,66-0,68, полученный раствор помещают в автоклав и дополнительно обрабатывают ультразвуком, затем выдерживают в сушильной камере при температуре 180±2°С в течение 4±0,16 часов и после охлаждения до температуры 25±5°С смесь фильтруют, пропуская через мембрану с размерами ячеек 0,1±0,05 мкм, и подвергают диализной очистке в течение 12±1 часов, при этом, полученный раствор содержит углеродные точки с размером до 60 нм.To solve this problem, the method of obtaining carbon dots from a precursor of birch birch bark is characterized by the fact that soot obtained from soot after burning birch bark is used as a precursor, for which a mixture is obtained, including the following components, in mass parts: deionized water - 100 ; 25% aqueous ammonia solution - 35.8-36.2; soot - 0.66-0.68, the resulting solution is placed in an autoclave and additionally treated with ultrasound, then kept in a drying chamber at a temperature of 180 ± 2 ° C for 4 ± 0.16 hours and after cooling to a temperature of 25 ± 5 ° C the mixture is filtered, passing through a membrane with a mesh size of 0.1 ± 0.05 µm, and subjected to dialysis purification for 12 ± 1 hours, while the resulting solution contains carbon dots with a size of up to 60 nm.
Сопоставительный анализ признаков заявленного способа с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного способа критерию «новизна».Comparative analysis of the features of the claimed method with the features of analogues indicates the compliance of the claimed method with the "novelty" criterion.
Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, получение высоколюминесцентных и стабильных углеродных точек из сажи. The combination of features of the invention provides a solution to the claimed technical problem, namely, obtaining highly luminescent and stable carbon dots from soot.
Сущность заявленного способа углеродных точек заключается во взаимодействии сажи, полученной при сгорании березовой коры, с водой и водным раствором аммиака при температуре 180±2°С в политетрафторэтиленовом автоклаве в течение 4±0,16 час. The essence of the claimed method of carbon dots lies in the interaction of soot obtained during the combustion of birch bark with water and an aqueous solution of ammonia at a temperature of 180 ± 2 ° C in a polytetrafluoroethylene autoclave for 4 ± 0.16 hours.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежом, где на фигуре 1 показан снимок атомно-силового микроскопа поверхности углеродных точек, осажденных на подложку из оксида кремния; на фигуре 2 – график латеральных размеров образований (углеродных точек) на поверхности подложки; на фигуре 3 - ИК-спектр углеродных точек, синтезированных из сажи березовой коры; на фигуре 4 - спектры поглощения водных растворов углеродных точек из сажи березовой коры (на основе снимков на спектрофотометре UNICO-2804), характеризующие ультрафиолетовое поглощение; на фигуре 5 – спектры излучения углеродных точек из сажи березовой коры (на основе снимков на спектрометре Perkin Elmer LS 50B), характеризующие люминесцентные свойства получаемых растворов.The claimed technical solution is illustrated by the drawing, where figure 1 shows an atomic force microscope image of the surface of carbon dots deposited on a silicon oxide substrate; figure 2 is a graph of the lateral dimensions of the formations (carbon dots) on the surface of the substrate; figure 3 is an IR spectrum of carbon dots synthesized from birch bark soot; figure 4 - absorption spectra of aqueous solutions of carbon dots from birch bark soot (based on images on a UNICO-2804 spectrophotometer), characterizing ultraviolet absorption; Figure 5 shows emission spectra of carbon dots from birch bark soot (based on images on a Perkin Elmer LS 50B spectrometer), characterizing the luminescent properties of the resulting solutions.
В качестве исходного сырья используют копоть от горения коры березы, собранной на стеклянную пластину поверх тлеющей коры. В качестве источника азота, как допирующего (легирующего) агента, используют водный раствор аммиака, обладающего низкой токсичностью и легкой летучестью. Soot from burning birch bark collected on a glass plate on top of smoldering bark is used as a raw material. As a source of nitrogen, as a doping (doping) agent, an aqueous solution of ammonia, which has low toxicity and easy volatility, is used.
Осуществление изобретения достигается следующим образом. The implementation of the invention is achieved as follows.
Для экспериментального исследования в политетрафторэтиленовую емкость (автоклав) с корпусом из нержавеющей стали загружали компоненты смеси из расчета на 100 масс.ч. деионизованной воды, а именно, в 15±0,1 мл деионизованной воды растворяли 6±0,1 мл 25 % водного раствора аммиака (36 масс.ч.), в готовый раствор взвешивали 0,1±0,05 г сажи (0,67 масс.ч.), полученной при сгорании березовой коры. При этом, для исследований варьировали содержание сажи в пределах 0,6-0,7 масс.ч., раствора аммиака – 35,98-36,58 масс.ч.For the experimental study, the components of the mixture were loaded into a polytetrafluoroethylene container (autoclave) with a stainless steel casing per 100 mass parts. deionized water, namely, 6 ± 0.1 ml of 25% aqueous ammonia solution (36 mass parts) was dissolved in 15 ± 0.1 ml of deionized water, 0.1 ± 0.05 g of soot (0 , 67 mass), obtained by burning birch bark. At the same time, for the studies, the soot content was varied within 0.6-0.7 mass parts, ammonia solution - 35.98-36.58 mass parts.
Экспериментальную смесь с содержанием сажи обрабатывали слабым ультразвуком для лучшего смешивания при следующих режимных параметрах: частота 50 Гц, продолжительность 5 мин. Далее автоклав с раствором помещали в сушильный шкаф и выдерживали в течение 4±0,16 часов при 180±2°С. После чего, автоклав охлаждали до достижения температуры 25±5°С. The experimental mixture containing soot was treated with weak ultrasound for better mixing under the following operating parameters: frequency 50 Hz,
Полученный раствор приобретал бледно-желтый цвет. После фильтрования раствора через трековую мембрану с размерами ячеек 0,1±0,05 мкм выполняли диализную очистку для удаления побочных продуктов реакции. Для чего, раствор в диализном мешке помещали в деионизованную воду и подвергали постоянному перемешиванию. Продолжительность процесса очистки составляла 12±1 часов.The resulting solution turned pale yellow. After filtration of the solution through a track membrane with a mesh size of 0.1 ± 0.05 μm, dialysis purification was performed to remove reaction by-products. For this, the solution in the dialysis bag was placed in deionized water and subjected to constant stirring. The duration of the cleaning process was 12 ± 1 hours.
Далее, очищенный раствор исследовали на содержание углеродных точек. Результаты экспериментов в условиях варьируемых параметров приведены в таблице.Further, the purified solution was examined for the content of carbon dots. The results of experiments under conditions of variable parameters are shown in the table.
Авторами полученные наночастицы исследованы на атомно-силовом микроскопе Integra Spectra для изучения морфологии и примерной оценки размеров частиц. При этом на снимке поверхности углеродных точек, осажденных на подложку из оксида кремния (см. фиг. 1), отчетливо проявлена сферическая форма образований, латеральные размеры которых колеблются в пределах 15-60 нм (см. фиг. 2). The nanoparticles obtained by the authors were examined on an Integra Spectra atomic force microscope to study the morphology and roughly estimate the particle size. In this case, in the image of the surface of carbon dots deposited on a silicon oxide substrate (see Fig. 1), the spherical shape of the formations is clearly manifested, the lateral sizes of which vary within 15-60 nm (see Fig. 2).
Образования представляют собой агрегированные частицы, полученные в результате слипания мелких углеродных точек из сажи друг с другом с образованием более крупных формирований. Подобные явления объясняются термодинамической нестабильностью малых по размеру частиц в растворе в результате их высокой поверхностной энергии, что, в свою очередь, определяет высокую реакционноспособность малых частиц.Formations are aggregated particles resulting from the adhesion of small carbon dots from the soot to each other to form larger formations. Such phenomena are explained by the thermodynamic instability of small particles in solution as a result of their high surface energy, which, in turn, determines the high reactivity of small particles.
Состав полученных углеродных точек доказывали ИК-спектрами образцов углеродных точек из сажи березовой коры, снятых на спектрометре Varian-7000 (см. фиг. 3). На ИК-спектре углеродных точек, синтезированных из сажи березовой коры, полосу при 1152 см-1 приписывают валентным колебаниям группы C-O-C, а полоса при 1022 см-1 соответствует валентным колебаниям группы C-OH. При этом полосы поглощения при 1409 см-1 приписываются к группе N-H, что свидетельствует о N-легировании ядра углеродных точек. Таким образом, в результате ИК-спектроскопического исследования определено присутствие азота на поверхности углеродных точек из сажи березовой коры.The composition of the obtained carbon dots was proved by IR spectra of samples of carbon dots from birch bark soot, recorded on a Varian-7000 spectrometer (see Fig. 3). In the IR spectrum of carbon dots synthesized from birch bark soot, the band at 1152 cm -1 is attributed to the stretching vibrations of the COC group, and the band at 1022 cm -1 corresponds to the stretching vibrations of the C-OH group. The absorption bands at 1409 cm -1 are attributed to the NH group, which indicates N-doping of the core of carbon dots. Thus, as a result of IR spectroscopic studies, the presence of nitrogen on the surface of carbon dots from birch bark soot was determined.
Спектры поглощения водных растворов углеродных точек из сажи березовой коры снимали на спектрофотометре UNICO-2804 (см фиг. 4, 5). The absorption spectra of aqueous solutions of carbon dots from birch bark soot were recorded on a UNICO-2804 spectrophotometer (see Figs. 4, 5).
На спектрах поглощения образцов углеродных точек присутствуют пики 228 и 282 нм, что считается предпосылкой к тому, что углеродные точки, синтезированные из сажи, обладают глубоким ультрафиолетовым поглощением. Пик поглощения при 228 нм обусловлен π → π * переходами в связи С=С, а пик при 282 нм соответствует n → π * переходу в связи С=О (см. фиг. 4).The absorption spectra of samples of carbon dots show peaks at 228 and 282 nm, which is considered a prerequisite for the fact that carbon dots synthesized from soot have deep ultraviolet absorption. The absorption peak at 228 nm is due to the π → π * transitions in the C = C bond, and the peak at 282 nm corresponds to the n → π * transition in the C = O bond (see Fig. 4).
Полученные углеродные точки обладают зависимыми от изменения длины волны возбуждения люминесцентными свойствами. Смещение максимумов спектров люминесценции происходит от 400 до 480 нм при изменении длины волны возбуждения от 300 до 400 нм (см. фиг. 5), что свидетельствует о том, что центрами люминесценции выступают функциональные группы на поверхности углеродных точек из сажи березовой коры.The obtained carbon dots have luminescent properties dependent on the change in the excitation wavelength. The shift of the maxima of the luminescence spectra occurs from 400 to 480 nm with a change in the excitation wavelength from 300 to 400 nm (see Fig. 5), which indicates that the luminescence centers are functional groups on the surface of carbon dots from birch bark soot.
При этом необходимо отметить, что оптимальное содержание сажи составляет 0,6-0,7 масс.ч. в пересчете на 100 масс.ч. деионизованной воды при содержании 25% водного раствора аммиака 36,0-36,6 масс.ч., при которых содержание углеродных точек в растворе составит 0,26-0,27 мг/мл, что достаточно для получения оптимальных люминесцентных свойств (см. таблицу). Дальнейшее увеличение концентрации углеродных точек приведет к снижению люминесценции или полному ее отсутствию из-за эффектов тушения.It should be noted that the optimal soot content is 0.6-0.7 mass.h. in terms of 100 mass.h. deionized water with a content of a 25% aqueous ammonia solution of 36.0-36.6 mass parts, at which the content of carbon points in the solution is 0.26-0.27 mg / ml, which is sufficient to obtain optimal luminescent properties (see. table). A further increase in the concentration of carbon dots will lead to a decrease in luminescence or its complete absence due to quenching effects.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет получить раствор углеродных точек из сажи березовой коры, синтезированный простым гидротермальным методом, при этом раствор нетоксичен, обладает высокой интенсивностью люминесценции и стабильностью.Thus, the claimed technical solution makes it possible to obtain a solution of carbon dots from birch bark soot synthesized by a simple hydrothermal method, while the solution is non-toxic, has a high luminescence intensity and stability.
ТаблицаTable
Различные комбинации источников углерода и азота и их концентрацииVarious combinations of carbon and nitrogen sources and their concentrations
Claims (1)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020109026A RU2727388C1 (en) | 2020-03-01 | 2020-03-01 | Method of producing carbon dots from birch bark precursor |
| EA202092142A EA038780B1 (en) | 2020-03-01 | 2020-10-08 | Method of producing carbon dots from birch bark soot precursor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020109026A RU2727388C1 (en) | 2020-03-01 | 2020-03-01 | Method of producing carbon dots from birch bark precursor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2727388C1 true RU2727388C1 (en) | 2020-07-21 |
Family
ID=71741261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020109026A RU2727388C1 (en) | 2020-03-01 | 2020-03-01 | Method of producing carbon dots from birch bark precursor |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA038780B1 (en) |
| RU (1) | RU2727388C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113148981A (en) * | 2021-05-28 | 2021-07-23 | 沈阳大学 | Novel green environment-friendly dragon fruit carbon dots prepared by hydrothermal method |
| RU2804088C1 (en) * | 2022-12-29 | 2023-09-26 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" | Method for making solution of carbon points from berry juices |
| CN117025991A (en) * | 2023-10-09 | 2023-11-10 | 丰镇市新太新材料科技有限公司 | Energy-saving high-carbon ferrochrome smelting process |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180251678A1 (en) * | 2017-03-02 | 2018-09-06 | Council Of Scientific & Industrial Research | Process for the preparation of blue-fluorescence emitting carbon dots (cdts) from sub-bituminous tertiary high sulfur indian coals |
| CN110157423A (en) * | 2019-06-27 | 2019-08-23 | 蚌埠学院 | A method and application of straw-based preparation of carbon quantum dots |
-
2020
- 2020-03-01 RU RU2020109026A patent/RU2727388C1/en active
- 2020-10-08 EA EA202092142A patent/EA038780B1/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180251678A1 (en) * | 2017-03-02 | 2018-09-06 | Council Of Scientific & Industrial Research | Process for the preparation of blue-fluorescence emitting carbon dots (cdts) from sub-bituminous tertiary high sulfur indian coals |
| CN110157423A (en) * | 2019-06-27 | 2019-08-23 | 蚌埠学院 | A method and application of straw-based preparation of carbon quantum dots |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| QIUJUN LU, CUIYAN WU, DAN LIU, HAIYAN WANG, WEI SU, HAITAO LI, YOUYU ZHANG, SHOUZHUO YAO GREEN CHEM. "A FACILE AND SIMPLE METHOD FOR SYNTHESIS OF GRAPHENE OXIDE QUANTUM DOTS FROM BLACK CARBON" 19, С. 900-904, 2017. * |
| ЕГОРОВА М.Н., ТОМСКАЯ А.Е., КАПИТОНОВ А.Н., АЛЕКСЕЕВ А.А., СМАГУЛОВА С.А. "ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ УГЛЕРОДНЫХ ТОЧЕК ИЗ ГЛЮКОЗЫ И САЖИ БЕРЕЗОВОЙ КОРЫ", ЖУРНАЛ СТРУКТУРНОЙ ХИМИИ Т. 59. N 4. С. 780-785, 2018. * |
| ЕГОРОВА М.Н., ТОМСКАЯ А.Е., КАПИТОНОВ А.Н., АЛЕКСЕЕВ А.А., СМАГУЛОВА С.А. "ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ УГЛЕРОДНЫХ ТОЧЕК ИЗ ГЛЮКОЗЫ И САЖИ БЕРЕЗОВОЙ КОРЫ", ЖУРНАЛ СТРУКТУРНОЙ ХИМИИ Т. 59. N 4. С. 780-785, 2018. QIUJUN LU, CUIYAN WU, DAN LIU, HAIYAN WANG, WEI SU, HAITAO LI, YOUYU ZHANG, SHOUZHUO YAO GREEN CHEM. "A FACILE AND SIMPLE METHOD FOR SYNTHESIS OF GRAPHENE OXIDE QUANTUM DOTS FROM BLACK CARBON" 19, С. 900-904, 2017. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113148981A (en) * | 2021-05-28 | 2021-07-23 | 沈阳大学 | Novel green environment-friendly dragon fruit carbon dots prepared by hydrothermal method |
| RU2804088C1 (en) * | 2022-12-29 | 2023-09-26 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" | Method for making solution of carbon points from berry juices |
| CN117025991A (en) * | 2023-10-09 | 2023-11-10 | 丰镇市新太新材料科技有限公司 | Energy-saving high-carbon ferrochrome smelting process |
| CN117025991B (en) * | 2023-10-09 | 2024-01-02 | 丰镇市新太新材料科技有限公司 | Energy-saving high-carbon ferrochrome smelting process |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA202092142A1 (en) | 2021-09-30 |
| EA038780B1 (en) | 2021-10-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110734763B (en) | Sulfur quantum dot and preparation method and application thereof | |
| Xu et al. | A green heterogeneous synthesis of N-doped carbon dots and their photoluminescence applications in solid and aqueous states | |
| RU2727388C1 (en) | Method of producing carbon dots from birch bark precursor | |
| CN110697681B (en) | Method for preparing carbon dots from broad beans, carbon dots and application thereof | |
| KR101663748B1 (en) | Method of manufacturing nitrogen-doped carbon dots | |
| Huang et al. | GaOOH, and β-and γ-Ga 2 O 3 nanowires: preparation and photoluminescence | |
| WO2020252847A1 (en) | Application of metal-doped carbon quantum dots | |
| CN108690609A (en) | Synthesis method of water-soluble or oil-soluble carbon dots and fluorescent carbon dots | |
| Liu et al. | Synthesis of carbon dots from pear juice for fluorescence detection of Cu2+ ion in water | |
| CN106908427A (en) | Gold nanoclusters and carbon quantum dot composite fluorescence probe and its application | |
| CN110499155A (en) | A kind of nitrogen-doped graphene quantum dot and its preparation method and application | |
| Zhao et al. | Green and efficient photodegradation of norfloxacin with CsPbBr3-rGO/Bi2WO6 S-scheme heterojunction photocatalyst | |
| CN108384539A (en) | A kind of green fluorescence carbon quantum dot, preparation method and applications | |
| Yoshinaga et al. | Optimizing the microwave-assisted hydrothermal synthesis of blue-emitting L-cysteine-derived carbon dots | |
| CN109847799A (en) | Preparation method and application of C-dots/UiO-66-NH2 composite material with high photocatalytic activity | |
| CN110922967A (en) | Method for synthesizing high-fluorescence boron-nitrogen co-doped graphene quantum dots by one-pot hydrothermal method | |
| JP2021524434A (en) | Boron Nitride Purification Method and Equipment | |
| Koklioti et al. | Functionalized MoS2 supported core-shell Ag@ Au nanoclusters for managing electronic processes in photocatalysis | |
| CN107879335A (en) | A kind of preparation method of nitrogen-doped graphene quanta point material | |
| CN116179197B (en) | One-step hydrothermal method for preparing Eu3+-doped fluorescent carbon dots | |
| CN113528128A (en) | Boron-nitrogen co-doped sulfur quantum dots, preparation method and application thereof | |
| Koohgard et al. | Photocatalytic synthesis of unsymmetrical thiourea derivatives via visible-light irradiation using nitrogen-doped ZnO nanorods | |
| CN111518552A (en) | Fluorine-containing graphene quantum dots and their preparation and their application as photosensitizers for photodynamic therapy | |
| Xiong et al. | Enhanced upconversion luminescence and tuned red-to-green emission ratio of LiGdF 4 nanocrystals via Ca 2+ doping | |
| CN115161020A (en) | Preparation of N self-doped carbon quantum dots and detection method of N self-doped carbon quantum dots on cadmium and mercury in agricultural products |