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WO2016129441A1 - 炭素系発光材料の製造方法 - Google Patents

炭素系発光材料の製造方法 Download PDF

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WO2016129441A1
WO2016129441A1 PCT/JP2016/052977 JP2016052977W WO2016129441A1 WO 2016129441 A1 WO2016129441 A1 WO 2016129441A1 JP 2016052977 W JP2016052977 W JP 2016052977W WO 2016129441 A1 WO2016129441 A1 WO 2016129441A1
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WO
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carbon
luminescent material
acid
based luminescent
producing
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PCT/JP2016/052977
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忠之 伊左治
直樹 大谷
昌宏 植田
川崎　剛美
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Nissan Chemical Corp
Original Assignee
Nissan Chemical Corp
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Priority to CN201680009560.0A priority patent/CN107207963B/zh
Priority to JP2016574742A priority patent/JP6690557B2/ja
Priority to EP16749085.3A priority patent/EP3257915B1/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/65—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing carbon
    • 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
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a carbon-based luminescent material.
  • carbon-based luminescent materials have attracted attention as luminescent materials.
  • An example of the carbon-based luminescent material is graphene quantum dots. Graphene quantum dots are expected to be superior to semiconductor quantum dots in terms of price, safety, chemical stability, and the like.
  • the existing manufacturing methods of carbon-based luminescent materials are roughly classified into two types, a top-down method and a bottom-up method (Non-Patent Document 1).
  • the top-down method is a method in which a bulk material having a graphite structure such as carbon fiber, coke, graphene oxide or the like is decomposed and prepared to a nano level using a physical or chemical method.
  • the top-down method is a method that can be mass-produced.
  • a carbon-based luminescent material having a light emission characteristic that is difficult to produce narrow-band light emission and that is industrially applicable has not been produced by this method.
  • the bottom-up method uses a low-molecular compound as a carbon source and is chemically synthesized by firing or hydrothermal reaction.
  • a carbon-based light-emitting material that exhibits an extremely high quantum yield of about 70% or more by applying an appropriate dope to the product is produced by a dry method in which cystine is fired as a raw material, the yield is extremely low (non- Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 3 a method for producing a carbon-based luminescent material by a wet method is described in Non-Patent Document 3, but even if the same reaction conditions are repeated, a carbon-based luminescent material cannot be obtained. There was a problem with reproducibility.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method capable of easily synthesizing a carbon-based light emitting material having a high quantum yield and excellent light emission characteristics with high yield and good reproducibility.
  • the present inventors have mixed a raw material containing a polyvalent carboxylic acid, an acid catalyst and a solvent, and heated to obtain a carbon-based luminescent material.
  • the present invention was completed by finding that the material exhibits a high quantum yield.
  • this invention provides the manufacturing method of the following carbon-type luminescent material.
  • a method for producing a carbon-based luminescent material comprising mixing a raw material containing a polyvalent carboxylic acid, an acid catalyst, and a solvent and heating the mixture.
  • the manufacturing method of the 1 or 2 carbon type luminescent material in which the said raw material contains an amino group containing compound further. 4).
  • a carbon-based luminescent material having a high quantum yield and excellent luminescent properties can be easily synthesized with high yield and good reproducibility.
  • the method for producing a carbon-based luminescent material of the present invention is a method in which a raw material containing a polycarboxylic acid, an acid catalyst, and a solvent are mixed and heated.
  • the polyvalent carboxylic acid is not particularly limited as long as it is a raw material of a carbon-based light emitting material and has two or more carboxyl groups. Specific examples thereof include citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, fumaric acid, itaconic acid, malic acid, tartaric acid and the like. Of these, citric acid, succinic acid, and oxalic acid are preferable, and citric acid is more preferable.
  • the polyvalent carboxylic acid may be used alone or in combination of two or more.
  • an amino group-containing compound is further contained as a raw material.
  • amino groups amino acids, amino group-containing polyalkylene glycols, primary aliphatic amines and the like are preferable. Of these, amino acids are particularly preferred.
  • the amino group-containing compound may be used alone or in combination of two or more.
  • amino acids examples include cysteine, glycine, alanine, valine, phenylalanine, threonine, lysine, asparagine, tryptophan, serine, glutamic acid, aspartic acid, ornithine, thyroxine, cystine, leucine, isoleucine, proline, tyrosine, asparagine, glutamine, histidine, Examples include methionine and threonine.
  • amino group-containing polyalkylene glycol examples include amino group-containing polyethylene glycol and amino group-containing polypropylene glycol. Of these, cysteine, glycine, amino group-containing polyethylene glycol and the like are preferable. When the amino acid has an optical isomer, the amino acid may be D-form, L-form, or racemate.
  • the amount of the amino group-containing compound used is preferably 10 to 90 parts by mass, more preferably 20 to 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polyvalent carboxylic acid, from the viewpoint of uniform nitrogen introduction efficiency.
  • organic compounds other than polyvalent carboxylic acids and amino group-containing compounds may be used as raw materials.
  • Such an organic compound is not particularly limited as long as it does not hinder the effects of the present invention.
  • the acid catalyst may be a homogeneous acid catalyst or a heterogeneous acid catalyst, but a heterogeneous acid catalyst is preferred from the viewpoint of improving quantum yield.
  • the homogeneous acid catalyst include inorganic acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and phosphoric acid, and organic acids such as sulfonic acid and p-toluenesulfonic acid.
  • the heterogeneous acid catalyst is preferably a solid acid catalyst, such as a cationic ion exchange resin, a cationic ion exchange membrane, or a solid acid catalyst described in Nature 438, p. 178 (2005). It is done.
  • the solid acid catalyst a commercially available product can be used.
  • AMBERLYST registered trademark 15 16, 31, 35, etc. manufactured by Rohm and Haas
  • AMBERLITE registered trademark IR120B, IR124, 200CT , 252 and the like
  • NAFION registered trademark of an ion exchange membrane manufactured by DuPont
  • inorganic solid acid catalysts such as zeolite and polyphosphoric acid.
  • the acid catalyst may be used alone or in combination of two or more.
  • the homogeneous acid catalyst is usually added in an amount of 0.01 to 10% by mass, more preferably 0.1 to 5% by mass, and more preferably 0.5 to 1% by mass with respect to the mass of the raw material. Even more preferred.
  • the heterogeneous acid catalyst is preferably a porous body having pores that can enclose the produced carbon-based luminescent material.
  • the particle diameter or disk diameter of the carbon-based luminescent material produced can be controlled by the size of the pores. In general, it is preferable to produce a carbon-based luminescent material having a particle diameter (disk diameter) of up to 20 nm using a porous solid acid catalyst having a pore diameter of up to 20 nm.
  • a heterogeneous acid catalyst When a heterogeneous acid catalyst is used, it is preferably added in an amount of about 0.1 to 100% by weight, more preferably 1.0 to 50% by weight, more preferably 5.0 to 10% by weight based on the weight of the raw material. Even more preferred.
  • the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the raw material to be used.
  • solvents include water, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphoric triamide, acetonitrile, acetone, alcohols (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol Etc.), glycols (ethylene glycol, triethylene glycol etc.), cellosolves (ethyl cellosolve, methyl cellosolve etc.), polyhydric alcohols (glycerin, pentaerythritol etc.), tetrahydrofuran, toluene, ethyl acetate, butyl acetate, benzene, Examples include toluene, xylene, pentane, hexane, heptane, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, hex
  • the amount of the solvent used is preferably 100 to 10,000 parts by mass, more preferably 400 to 2,500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the raw material from the viewpoint of preparing a carbon-based light emitting material having a uniform particle size.
  • the production method of the present invention may be performed in the presence of a surfactant.
  • a surfactant a cationic surfactant, an anionic surfactant, and a nonionic surfactant are preferable.
  • Examples of the cationic surfactant include cetyltrimethylammonium bromide (CTABr) and cetyltrimethylammonium chloride (CTACl).
  • Examples of the anionic surfactant include sodium dodecyl sulfate (SDS) and sodium dodecyl benzene sulfonate.
  • Examples of nonionic surfactants include polyethylene glycol (PEG) and polypropylene glycol (PPG). The surfactants may be used singly or in combination of two or more.
  • the amount of the surfactant used is preferably 10 to 2,000 parts by mass, more preferably 50 to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the raw material, from the viewpoint of the dispersibility of the raw material and the critical micelle concentration under the synthesis conditions. .
  • a raw material, an acid catalyst, a solvent, and, if necessary, a surfactant are mixed and heated, but these may be mixed in any order.
  • the raw material and, if necessary, the surfactant may be added to the solvent in advance, and then the acid catalyst may be added, or the raw material, the acid catalyst, and if necessary, the surfactant may be added to the solvent at the same time.
  • Heating may be performed under normal pressure (atmospheric pressure) or under pressure.
  • the reaction temperature can be raised above the boiling point at normal pressure, so that the reaction time can be shortened compared to the case of reacting at normal pressure.
  • an autoclave When pressurizing, for example, an autoclave may be used.
  • the reaction temperature can be raised above the boiling point at normal pressure.
  • a reaction temperature of about 200 ° C. can be easily achieved by reacting using an autoclave.
  • the pressurization is not particularly limited as long as it can achieve a desired reaction temperature, but is preferably about 200 kPa to 2.0 MPa, more preferably about 500 kPa to 1.0 MPa.
  • the reaction temperature depends on the boiling point of the solvent used, but is usually preferably about 40 to 250 ° C, more preferably 60 to 200 ° C, and even more preferably 100 to 150 ° C. Heating is usually performed in a water bath or an oil bath, but heating can also be performed with a microwave. Thus, for example, when water is used as the solvent, the product can be obtained in a shorter time than when heating in a water bath or oil bath.
  • the reaction time is preferably about 1 minute to 240 hours, more preferably about 10 minutes to 48 hours, and even more preferably about 12 to 30 hours.
  • the reaction time is preferably about 1 minute to 24 hours, more preferably about 10 minutes to 12 hours, and even more preferably about 30 minutes to 3 hours.
  • the stirring speed is preferably about 10 to 500 rpm, more preferably about 50 to 300 rpm.
  • the obtained product can be purified by removing low molecular weight impurities by dialysis, ultrafiltration or the like, and then removing high molecular weight impurities by centrifugation or the like. What is necessary is just to set suitably the hole diameter of a dialysis membrane or an ultrafiltration membrane, and the centrifugal force at the time of centrifugation according to the molecular weight of what is removed.
  • column purification may be performed.
  • the column packing in this case may be normal phase or reverse phase.
  • the normal phase filler silica particles, alumina particles and the like can be used.
  • the reverse phase filler silica particles whose surface is modified with a long-chain alkyl group can be used. Moreover, you may pressurize during column purification from the point of time shortening.
  • the carbon-based luminescent material produced by the method of the present invention preferably includes a graphene structure from the viewpoints of chemical stability, luminescence quantum yield, luminescence property control, and the like.
  • the carbon-based light emitting material emits light having a wavelength of 380 to 480 nm.
  • the carbon-based luminescent material produced by the method of the present invention preferably has a quantum yield of approximately 30% or more, more preferably 50% or more, and even more preferably 60% or more. Further, the half width of the emission spectrum is preferably 100 nm or less, more preferably 90 nm or less, and still more preferably 80 nm or less.
  • Example 2 A solution of 0.67 g (3.1 mmol) of citric acid monohydrate and 0.33 g (2.72 mmol) of L-cysteine in 24 mL of deionized water was placed in a 50 mL sample bottle. To the resulting solution was added a stir bar and 0.05 g of Amberlyst 15. This was mounted in a Teflon (registered trademark) inner mounted in a stainless steel autoclave and heated to 200 ° C. over 40 minutes. The atmospheric pressure gradually increased and became constant at 0.8 MPa 30 minutes after reaching 200 ° C. The reaction was continued for 30 minutes and the mixture was allowed to cool to room temperature. The brown precipitate and the solid catalyst were removed with a 0.2 ⁇ m filter to obtain a pale yellow solution. As a result, an aqueous dispersion containing the carbon-based luminescent material 2 was obtained.
  • Example 3 A 100 mL three-necked flask was charged with 0.40 g (1.9 mmol) of citric acid monohydrate, 0.10 g (0.8 mmol) of L-cysteine and 0.5 mL of deionized water to prepare a solution. The obtained solution was impregnated with 0.05 g of Nafion (manufactured by DuPont) and reacted at 100 ° C. for 25 hours. The product was extracted from Nafion with 10 mL of water to obtain an aqueous dispersion containing the carbon-based luminescent material 3.
  • Example 4 A 50 mL sample bottle was charged with 0.80 g (3.8 mmol) of citric acid monohydrate, 0.20 g (1.7 mmol) of L-cysteine and 24 mL of deionized water to prepare a solution. To the resulting solution was added a stir bar and 0.05 g of Amberlyst 15. This was mounted in a Teflon (registered trademark) inner mounted in a stainless steel autoclave and heated to 200 ° C. over 40 minutes. The atmospheric pressure gradually increased and became constant at 0.8 MPa after 30 minutes. The reaction was continued for 30 minutes and the mixture was allowed to cool to room temperature. The brown precipitate and solid catalyst were removed with a 0.2 ⁇ m filter to give a yellow solution. As a result, an aqueous dispersion containing the carbon-based luminescent material 4 was obtained.
  • Example 5 In a 50 mL sample bottle, put 0.8 g (3.8 mmol) of citric acid monohydrate, 0.2 g (1.7 mmol) of L-cysteine, 2.5 g (8.7 mmol) of SDS and 2.5 mL of deionized water, A solution was prepared. A stir bar and 0.05 g of concentrated sulfuric acid were added to the resulting solution. This was mounted in a Teflon (registered trademark) inner mounted in a stainless steel autoclave and heated to 200 ° C. over 40 minutes. The atmospheric pressure gradually increased and became constant at 0.8 MPa after 30 minutes. The reaction was continued for 90 minutes and allowed to cool to room temperature. The brown precipitate and the solid catalyst were removed with a 0.2 ⁇ m filter to obtain an ocher solution. As a result, an aqueous dispersion containing the carbon-based luminescent material 5 was obtained.
  • Teflon registered trademark
  • Example 6 A 100 mL three-necked flask equipped with a Dimroth condenser and a thermometer was charged with citric acid monohydrate 0.80 g (3.8 mmol), L-cysteine 0.20 g (1.7 mmol), SDS 2.5 g (8.7 mmol) and A solution was prepared by adding 2.5 mL of deionized water. A stir bar and 0.05 g of concentrated sulfuric acid were added to the resulting solution, and the mixture was reacted for 40 hours while stirring and refluxing. After cooling the reaction solution, the reaction system solidified, and the soluble component was extracted with 20 mL of water. Thereby, a carbon-based light emitting material 6-containing aqueous dispersion was obtained.
  • Example 7 A carbon-based light emitting material 7-containing aqueous dispersion was prepared in the same manner as in Example 4 except that 0.7 g (3.3 mmol) of citric acid monohydrate and 0.10 g (0.83 mmol) of L-cysteine were used. Obtained.
  • Example 8 An aqueous dispersion containing the carbon-based light emitting material 8 was prepared in the same manner as in Example 4 except that 0.51 g (2.4 mmol) of citric acid monohydrate and 0.29 g (2.4 mmol) of L-cysteine were used. Obtained.
  • Example 9 A carbon-based light emitting material 9-containing aqueous dispersion was prepared in the same manner as in Example 4 except that 0.73 g (3.4 mmol) of citric acid monohydrate and 0.28 g (2.3 mmol) of L-cysteine were used. Obtained.
  • Example 10 To a 100 mL three-necked flask equipped with a Dimroth condenser and thermometer, citric acid monohydrate 0.51 g (2.4 mmol), L-cysteine 0.29 g (2.4 mmol), SDS 0.80 g (2.8 mmol), In addition, 4 mL of deionized water and 25 mL of toluene were added to prepare a solution. A stirrer and 0.05 g of Amberlyst 15 were added to the resulting solution and reacted for 15 hours while stirring and refluxing. During the reaction, water was removed by a Dean Stark trap. The obtained ocher insoluble matter and ocher solution were filtered through a 0.2 ⁇ m filter to obtain a carbon-based light emitting material 10-containing toluene solution.
  • Example 11 In a 50 mL sample bottle, 0.63 g (3.0 mmol) of citric acid monohydrate, 0.37 g (3.0 mmol) of L-cysteine, and 2.0 g of an aqueous dispersion containing the carbon-based luminescent material 2 prepared in Example 2 were used. And 22 mL of deionized water were added to prepare a solution. A stir bar and 0.05 g of Amberlyst 15 were added to the resulting solution, and this was mounted in a Teflon (registered trademark) inner mounted in a stainless steel autoclave and heated to 200 ° C. over 40 minutes. The atmospheric pressure gradually increased and became constant at 0.8 MPa 30 minutes after reaching 200 ° C.
  • Teflon registered trademark
  • Example 12 An aqueous dispersion containing the carbon-based luminescent material 12 was prepared in the same manner as in Example 4 except that 0.75 g (3.6 mmol) of citric acid monohydrate and 0.05 g (0.41 mmol) of L-cysteine were used. Obtained.
  • Example 13 Example 4 except that 0.64 g (3.1 mmol) of citric acid monohydrate and 0.36 g (3.0 mmol) of L-cysteine were used, and 0.05 g of concentrated sulfuric acid was used instead of Amberlyst 15. An aqueous dispersion containing the carbon-based luminescent material 13 was obtained by the same method as described above.
  • Example 14 A solution of 0.67 g (3.1 mmol) of citric acid monohydrate and 0.33 g (2.72 mmol) of L-cysteine in 24 mL of deionized water was placed in a 50 mL sample bottle. To the obtained solution, 0.05 g (manufactured by DuPont) of Nafion finely cut into strips having a width of about 1 mm and a length of about 5 mm was added. This was mounted in a Teflon (registered trademark) inner mounted in a stainless steel autoclave and heated to 200 ° C. over 40 minutes. The atmospheric pressure gradually increased and became constant at 0.7 MPa after 30 minutes. The reaction was continued for 90 minutes and allowed to cool to room temperature. The brown precipitate and the solid catalyst were removed with a 0.2 ⁇ m filter to obtain an orange solution. As a result, an aqueous dispersion containing the carbon-based light emitting material 14 was obtained.
  • Example 15 A carbon-based light emitting material 15-containing toluene dispersion was obtained in the same manner as in Example 5 except that 25 mL of toluene was used instead of deionized water.
  • Example 16 A carbon-based light emitting material 16-containing aqueous dispersion was obtained in the same manner as in Example 13, except that 0.24 g of phosphoric acid was used instead of concentrated sulfuric acid.
  • Example 17 To a 100 mL three-necked flask equipped with a Dimroth condenser and a thermometer, 0.20 g (0.95 mmol) of citric acid monohydrate and 0.5 mL (0.56 mmol) of PEG-diamine represented by the following formula (Sigma-Aldrich) Solution) was prepared. A stirrer and 2.0 g of phosphoric acid were added to the obtained solution and reacted at 90 ° C. for 40 hours to obtain a carbon-based light emitting material 17 as a black viscous body.
  • PEG-diamine represented by the following formula (Sigma-Aldrich) Solution
  • Example 18 An aqueous dispersion containing the carbon-based light emitting material 18 in the same manner as in Example 4 except that 0.54 g (2.6 mmol) of citric acid monohydrate and 0.46 g (3.8 mmol) of L-cysteine were used. Got.
  • the carbon-based luminescent material obtained by the method of the present invention showed a high quantum yield.

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Abstract

　多価カルボン酸を含む原料、酸触媒及び溶媒を混合して、加熱する、炭素系発光材料の製造方法を提供する。

Description

炭素系発光材料の製造方法
　本発明は、炭素系発光材料の製造方法に関する。
　近年、発光材料として、炭素系発光材料が注目されている。炭素系発光材料の一例として、グラフェン量子ドットが挙げられる。グラフェン量子ドットは、半導体量子ドットに比べて、価格、安全性、化学的安定性等の点で優位性が期待されている。
　炭素系発光材料の既存の製法は、トップダウン法とボトムアップ法の２種類に大別される（非特許文献１）。トップダウン法は、炭素繊維、コークス、酸化グラフェン等、グラファイト構造を持つバルク物質を、物理的、化学的な手法を用いてナノレベルまで分解し調製する方法である。トップダウン法は、量産も可能な方法であるが、狭帯発光が難しく、工業的に通用する発光特性を備えた炭素系発光材料は本手法では作製されていない。
　一方、ボトムアップ法は、炭素源として低分子化合物を用い、焼成や水熱反応によって化学的に合成する方法である。生成物に適切なドープを施すことで約７０％以上の極めて高い量子収率を示す炭素系発光材料が、シスチンを原料に焼成する乾式法で作製されているものの、収率は極めて低い（非特許文献２）。
　また、ボトムアップ法において、湿式法で炭素系発光材料を作製する方法が非特許文献３に記載されているが、同様の反応条件を繰り返して実施しても炭素系発光材料を得られず、再現性に問題を有していた。
Chem. Commun., 48, pp. 3686-3699 (2012) Angew. Chem., 125, pp. 7954-7958 (2013) ACS Nano., 6, pp. 5102-5110 (2012)
　本発明は、前記事情に鑑みなされたもので、高い量子収率を示し、優れた発光特性を有する炭素系発光材料を、高収率で再現性よく簡便に合成できる方法を提供することを目的とする。
　本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、多価カルボン酸を含む原料、酸触媒及び溶媒を混合して、加熱することで、炭素系発光材料が得られ、該材料が高い量子収率を示すことを見出し、本発明を完成させた。
　すなわち、本発明は、下記炭素系発光材料の製造方法を提供する。
１．多価カルボン酸を含む原料、酸触媒及び溶媒を混合して、加熱することを特徴とする炭素系発光材料の製造方法。
２．前記多価カルボン酸が、クエン酸である１の炭素系発光材料の製造方法。
３．前記原料が、更に、アミノ基含有化合物を含む１又は２の炭素系発光材料の製造方法。
４．前記アミノ基含有化合物が、アミノ酸である３の炭素系発光材料の製造方法。
５．前記アミノ酸が、システインである４の炭素系発光材料の製造方法。
６．前記酸触媒が、細孔を有する多孔質体不均一酸触媒である１～５のいずれかの炭素系発光材料の製造方法。
７．更に、界面活性剤を混合する１～６のいずれかの炭素系発光材料の製造方法。
８．前記炭素系発光材料がグラフェン構造を有するものである１～７のいずれかの炭素系発光材料の製造方法。
９．前記炭素系発光材料が、波長３８０～４８０ｎｍの光を発光するものである１～８のいずれかの炭素系発光材料の製造方法。
　本発明の炭素系発光材料の製造方法によれば、量子収率の高い優れた発光特性を有する炭素系発光材料を、高収率で再現性よく簡便に合成できる。
　本発明の炭素系発光材料の製造方法は、多価カルボン酸を含む原料、酸触媒及び溶媒を混合して、加熱するものである。
　前記多価カルボン酸は、炭素系発光材料の原料であって、カルボキシル基を２つ以上有するカルボン酸であれば特に限定されない。その具体例としては、クエン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、フマル酸、イタコン酸、リンゴ酸、酒石酸等が挙げられる。これらのうち、クエン酸、コハク酸、シュウ酸が好ましく、クエン酸がより好ましい。多価カルボン酸は、１種単独でも２種以上を組み合わせて用いてもよい。
　また、原料として、更にアミノ基含有化合物を含むことが好ましい。前記アミノ基含有化合物としては、アミノ酸、アミノ基含有ポリアルキレングリコール、一級脂肪族アミン等が好ましい。これらのうち、アミノ酸が特に好ましい。アミノ基含有化合物は、１種単独でも２種以上を組み合わせて用いてもよい。
　前記アミノ酸としては、システイン、グリシン、アラニン、バリン、フェニルアラニン、スレオニン、リシン、アスパラギン、トリプトファン、セリン、グルタミン酸、アスパラギン酸、オルニチン、チロキシン、シスチン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、チロシン、アスパラギン、グルタミン、ヒスチジン、メチオニン、トレオニン等が挙げられる。アミノ基含有ポリアルキレングリコールとしては、アミノ基含有ポリエチレングリコール、アミノ基含有ポリプロピレングリコール等が挙げられる。これらのうち、システイン、グリシン、アミノ基含有ポリエチレングリコール等が好ましい。なお、前記アミノ酸が光学異性体を有するものである場合、前記アミノ酸はＤ体でもＬ体でもよいし、ラセミ体でもよい。
　アミノ基含有化合物の使用量は、均一な窒素導入効率の点から、多価カルボン酸１００質量部に対して１０～９０質量部が好ましく、２０～８０質量部がより好ましい。
　原料として、更に、多価カルボン酸及びアミノ基含有化合物以外の有機化合物を使用してもよい。このような有機化合物としては、本発明の効果を妨げないものであれば、特に限定されない。
　前記酸触媒は、均一酸触媒でも不均一酸触媒でもよいが、量子収率を向上させる観点から不均一酸触媒が好ましい。均一酸触媒としては、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等の無機酸、スルホン酸、ｐ－トルエンスルホン酸等の有機酸が挙げられる。一方、不均一酸触媒としては、固体酸触媒が好ましく、例えば、カチオン性のイオン交換樹脂、カチオン性のイオン交換膜、Nature 438, p. 178 (2005)に記載された固体酸触媒等が挙げられる。固体酸触媒としては、市販品を使用することができ、例えば、ロームアンドハース社製イオン交換樹脂のAMBERLYST（登録商標）15、16、31、35等、AMBERLITE（登録商標）IR120B、IR124、200CT、252等、デュポン社製イオン交換膜のNAFION（登録商標）、ゼオライトやポリリン酸等の無機系固体酸触媒等が挙げられる。前記酸触媒は、１種単独でも２種以上を組み合わせて用いてもよい。
　均一酸触媒を用いる場合、通常、均一酸触媒を原料の質量に対して０.０１～１０質量％添加するが、０.１～５質量％がより好ましく、０.５～１質量％がより一層好ましい。
　不均一酸触媒は、生成した炭素系発光材料を内包できる細孔を有する多孔質体であることが好ましい。この細孔の大きさにより生成する炭素系発光材料の粒子径又はディスク径を制御することができる。一般的には、２０ｎｍまでの細孔径を有する多孔質体の固体酸触媒により、２０ｎｍまでの粒子径（ディスク径）の炭素系発光材料を製造するのが好ましい。
　不均一酸触媒を用いる場合、原料の質量に対して概ね０.１～１００質量％の添加が好ましく、１.０～５０質量％の添加がより好ましく、５.０～１０質量％の添加がより一層好ましい。
　前記溶媒は、使用する原料を溶解できるものであれば特に限定されない。このような溶媒としては、水、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、ヘキサメチルリン酸トリアミド、アセトニトリル、アセトン、アルコール類（メタノール、エタノール、１－プロパノール、２－プロパノール等）、グリコール類（エチレングリコール、トリエチレングリコール等）、セロソルブ類（エチルセロソルブ、メチルセロソルブ等）、多価アルコール類（グリセリン、ペンタエリスリトール等）、テトラヒドロフラン、トルエン、酢酸エチル、酢酸ブチル、ベンゼン、トルエン、キシレン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ヘキサデカン、ベンジルアルコール、オレイルアミン等が挙げられる。これらのうち、水、トルエン等が好ましい。前記溶媒は、１種単独でも２種以上を混合して用いてもよい。
　溶媒の使用量は、均一粒子サイズの炭素系発光材料調製の点から、原料１００質量部に対して１００～１０,０００質量部が好ましく、４００～２,５００質量部がより好ましい。
　本発明の製造方法は、界面活性剤存在下で行ってもよい。前記界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤が好ましい。
　カチオン性界面活性剤としては、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢｒ）、セチルトリメチルアンモニウムクロライド（ＣＴＡＣｌ）等が挙げられる。アニオン性界面活性剤としては、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等が挙げられる。ノニオン性界面活性剤としては、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）等が挙げられる。前記界面活性剤は、１種単独でも２種以上を組み合わせて用いてもよい。
　界面活性剤の使用量は、原料の分散性と、合成条件での臨界ミセル濃度の点から、原料１００質量部に対して１０～２,０００質量部が好ましく、５０～５００質量部がより好ましい。
　本発明の製造方法は、原料、酸触媒、溶媒、及び必要に応じて界面活性剤を混合して、加熱するものであるが、これらの混合は、任意の順で行えばよい。例えば、原料及び必要に応じて界面活性剤をあらかじめ溶媒に加え、次いで酸触媒を加えてもよく、原料、酸触媒及び必要に応じて界面活性剤を同時に溶媒に加えてもよい。
　加熱は、常圧（大気圧）下でも加圧下で行ってもよい。加圧下で行うと、常圧での沸点以上に反応温度を上げることができるため、常圧で反応させる場合と比べて、反応時間を短縮することができる。
　加圧する場合は、例えば、オートクレーブを使用すればよい。オートクレーブを使用することで、常圧での沸点以上に反応温度を上げることができる。例えば、溶媒として水を使用する場合でも、オートクレーブを用いて反応させることで、２００℃程度の反応温度は容易に達成できる。
　加圧は、所望の反応温度を達成できるものであれば特に限定されないが、概ね２００ｋＰａ～２.０ＭＰａ程度が好ましく、５００ｋＰａ～１.０ＭＰａ程度がより好ましい。
　常圧で反応させる場合、反応温度は、使用する溶媒の沸点にもよるが、通常、４０～２５０℃程度が好ましく、６０～２００℃がより好ましく、１００～１５０℃がより一層好ましい。加熱は、通常水浴や油浴でなされるが、マイクロ波で加熱することもできる。これによって、例えば、溶媒として水を用いる場合は、水浴や油浴で加熱する場合に比べて、短時間で生成物を得ることができる。
　常圧で反応させる場合、反応時間は、１分～２４０時間程度が好ましく、１０分～４８時間程度がより好ましく、１２～３０時間程度がより一層好ましい。加圧して反応させる場合、反応時間は、１分～２４時間程度が好ましく、１０分～１２時間程度がより好ましく、３０分～３時間程度がより一層好ましい。
　また、固体酸触媒を用いる場合は、攪拌して反応させることが好ましく、固体触媒が砕けない範囲で、攪拌速度を上げると良い結果が得られる。攪拌速度は、１０～５００ｒｐｍ程度が好ましく、５０～３００ｒｐｍ程度がより好ましい。
　得られた生成物は、透析や限外ろ過等で低分子量の不純物を除いた後、遠心分離等で高分子量の不純物を除くことで精製することができる。透析膜や限外ろ過膜の孔径、遠心分離時の遠心力は、除去するものの分子量に合わせて適宜設定すればよい。
　更に高純度に精製するためには、カラム精製を行えばよい。この場合のカラム充填剤は、順相でも逆相でもよい。順相充填剤としては、シリカ粒子、アルミナ粒子等が使用できる。一方、逆相充填剤としては、長鎖アルキル基で表面修飾されたシリカ粒子等が使用できる。また、時間短縮の点から、カラム精製中に加圧してもよい。
　本発明の方法で製造された炭素系発光材料は、化学的安定性、発光量子収率、発光特性制御等の点から、グラフェン構造を含むものであることが好ましい。
　また、前記炭素系発光材料は、波長３８０～４８０ｎｍの光を発光するものであることが好ましい。
　本発明の方法で製造された炭素系発光材料は、量子収率が概ね３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、６０％以上であることがより一層好ましい。また、その発光スペクトルの半値幅が、１００ｎｍ以下であることが好ましく、９０ｎｍ以下であることがより好ましく、８０ｎｍ以下であることがより一層好ましい。
　以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されない。なお、使用した装置は以下のとおりである。
（１）蛍光スペクトル：日本分光製(株)FP-6500
（２）量子収率の測定：(株)島津製作所製UV-3600及び日本分光(株)製FP-6500
［１］試料の調製
［実施例１］
　ジムロート冷却管及び温度計を装着した１００ｍＬ三口フラスコに、クエン酸一水和物０.６７ｇ（３.１ｍｍｏｌ）、Ｌ－システイン０.３３ｇ（２.７２ｍｍｏｌ）及び脱イオン水２４ｍＬを入れ、溶液を調製した。得られた溶液に、攪拌子及びAmberlyst 15　０.０５ｇを加え、攪拌還流しながら９５時間反応させ、炭素系発光材料１含有水分散液を得た。
［実施例２］
　５０ｍＬサンプルビンに、クエン酸一水和物０.６７ｇ（３.１ｍｍｏｌ）とＬ－システイン０.３３ｇ（２.７２ｍｍｏｌ）を脱イオン水２４ｍＬに溶解した溶液を入れた。得られた溶液に、攪拌子及びAmberlyst 15　０.０５ｇを加えた。これをステンレス製オートクレーブ内に装着したテフロン（登録商標）製インナー内に装着し、４０分かけて２００℃まで昇温した。気圧が徐々に上昇し、２００℃に達してから３０分後０.８ＭＰａで一定となった。そのまま３０分反応し、室温まで放冷した。褐色沈殿と固体触媒を０.２μｍフィルターで除き、淡黄色の溶液を得た。これにより炭素系発光材料２含有水分散液を得た。
［実施例３］
　１００ｍＬ三口フラスコに、クエン酸一水和物０.４０ｇ（１.９ｍｍｏｌ）、Ｌ－システイン０.１０ｇ（０.８ｍｍｏｌ）及び脱イオン水０.５ｍＬを入れ、溶液を調製した。得られた溶液を、ナフィオン０.０５ｇ（デュポン社製）に含浸させ、１００℃で２５時間反応させた。ナフィオンから生成物を水１０ｍＬで抽出し、炭素系発光材料３含有水分散液を得た。
［実施例４］
　５０ｍＬサンプルビンに、クエン酸一水和物０.８０ｇ（３.８ｍｍｏｌ）、Ｌ－システイン０.２０ｇ（１.７ｍｍｏｌ）及び脱イオン水２４ｍＬを入れ、溶液を調製した。得られた溶液に、攪拌子及びAmberlyst 15　０.０５ｇを加えた。これをステンレス製オートクレーブ内に装着したテフロン（登録商標）製インナー内に装着し、４０分かけて２００℃まで昇温した。気圧が徐々に上昇し、３０分後０.８ＭＰａで一定となった。そのまま３０分反応し、室温まで放冷した。褐色沈殿と固体触媒を０.２μｍフィルターで除き、黄色の溶液を得た。これにより、炭素系発光材料４含有水分散液を得た。
［実施例５］
　５０ｍＬサンプルビンに、クエン酸一水和物０.８ｇ（３.８ｍｍｏｌ）、Ｌ－システイン０.２ｇ（１.７ｍｍｏｌ）、ＳＤＳ２.５ｇ（８.７ｍｍｏｌ）及び脱イオン水２.５ｍＬを入れ、溶液を調製した。得られた溶液に、攪拌子及び濃硫酸０.０５ｇを加えた。これをステンレス製オートクレーブ内に装着したテフロン（登録商標）製インナー内に装着し、４０分かけて２００℃まで昇温した。気圧が徐々に上昇し、３０分後０.８ＭＰａで一定となった。そのまま９０分反応し、室温まで放冷した。褐色沈殿と固体触媒を０.２μｍフィルターで除き、黄土色の溶液を得た。これにより、炭素系発光材料５含有水分散液を得た。
［実施例６］
　ジムロート冷却管及び温度計を装着した１００ｍＬ三口フラスコに、クエン酸一水和物０.８０ｇ（３.８ｍｍｏｌ）、Ｌ－システイン０.２０ｇ（１.７ｍｍｏｌ）、ＳＤＳ２.５ｇ（８.７ｍｍｏｌ）及び脱イオン水２.５ｍＬを入れ、溶液を調製した。得られた溶液に、攪拌子及び濃硫酸０.０５ｇを加え、攪拌還流しながら４０時間反応させた。反応液を冷却後、反応系が固化したので水２０ｍＬで可溶分を抽出した。これにより、炭素系発光材料６含有水分散液を得た。
［実施例７］
　クエン酸一水和物を０.７ｇ（３.３ｍｍｏｌ）、Ｌ－システインを０.１０ｇ（０.８３ｍｍｏｌ）使用した以外は、実施例４と同じ方法で炭素系発光材料７含有水分散液を得た。
［実施例８］
　クエン酸一水和物を０.５１ｇ（２.４ｍｍｏｌ）、Ｌ－システインを０.２９ｇ（２.４ｍｍｏｌ）使用した以外は、実施例４と同じ方法で炭素系発光材料８含有水分散液を得た。
［実施例９］
　クエン酸一水和物を０.７３ｇ（３.４ｍｍｏｌ）、Ｌ－システインを０.２８ｇ（２.３ｍｍｏｌ）使用した以外は、実施例４と同じ方法で炭素系発光材料９含有水分散液を得た。
［実施例１０］
　ジムロート冷却管及び温度計を装着した１００ｍＬ三口フラスコに、クエン酸一水和物０.５１ｇ（２.４ｍｍｏｌ）、Ｌ－システイン０.２９ｇ（２.４ｍｍｏｌ）、ＳＤＳ０.８０ｇ（２.８ｍｍｏｌ）、並びに脱イオン水４ｍＬ及びトルエン２５ｍＬを入れ、溶液を調製した。得られた溶液に、攪拌子及びAmberlyst 15　０.０５ｇを加え、攪拌還流しながら１５時間反応させた。反応中、ディーン・スタークトラップにより水を取り除いた。得られた黄土色不溶物と黄土色溶液とを０.２μｍフィルターでろ過し、炭素系発光材料１０含有トルエン溶液を得た。
［実施例１１］
　５０ｍＬサンプルビンに、クエン酸一水和物０.６３ｇ（３.０ｍｍｏｌ）、Ｌ－システイン０.３７ｇ（３.０ｍｍｏｌ）、実施例２で調製した炭素系発光材料２含有水分散液２.０ｇ、並びに脱イオン水２２ｍＬを入れ、溶液を調製した。得られた溶液に、攪拌子及びAmberlyst 15　０.０５ｇを加え、これをステンレス製オートクレーブ内に装着したテフロン（登録商標）製インナー内に装着し、４０分かけて２００℃まで昇温した。気圧が徐々に上昇し、２００℃に達してから３０分後０.８ＭＰａで一定となった。そのまま３０分反応し、室温まで放冷した。褐色沈殿と固体触媒を０.２μｍフィルターで除き、淡黄色の溶液を得た。これにより炭素系発光材料１１含有水分散液を得た。
［実施例１２］
　クエン酸一水和物を０.７５ｇ（３.６ｍｍｏｌ）、Ｌ－システインを０.０５ｇ（０.４１ｍｍｏｌ）使用した以外は、実施例４と同じ方法で炭素系発光材料１２含有水分散液を得た。
［実施例１３］
　クエン酸一水和物を０.６４ｇ（３.１ｍｍｏｌ）、Ｌ－システインを０.３６ｇ（３.０ｍｍｏｌ）使用し、Amberlyst 15のかわりに濃硫酸０.０５ｇを使用した以外は、実施例４と同じ方法で炭素系発光材料１３含有水分散液を得た。
［実施例１４］
　５０ｍＬサンプルビンに、クエン酸一水和物０.６７ｇ（３.１ｍｍｏｌ）とＬ－システイン０.３３ｇ（２.７２ｍｍｏｌ）を脱イオン水２４ｍＬに溶解した溶液を入れた。得られた溶液に、幅１ｍｍ、長さ５ｍｍ程度の短冊状に細かく切断したナフィオン０.０５ｇ（デュポン社製）を加えた。これをステンレス製オートクレーブ内に装着したテフロン（登録商標）製インナー内に装着し、４０分かけて２００℃まで昇温した。気圧が徐々に上昇し、３０分後０.７ＭＰａで一定となった。そのまま９０分反応し、室温まで放冷した。褐色沈殿と固体触媒を０.２μｍフィルターで除き、橙色の溶液を得た。これにより、炭素系発光材料１４含有水分散液を得た。
［実施例１５］
　脱イオン水のかわりにトルエン２５ｍＬを用いた以外は、実施例５と同じ方法で炭素系発光材料１５含有トルエン分散液を得た。
［実施例１６］
　濃硫酸のかわりにリン酸０.２４ｇを用いた以外は、実施例１３と同じ方法で炭素系発光材料１６含有水分散液を得た。
［実施例１７］
　ジムロート冷却管及び温度計を装着した１００ｍＬ三口フラスコに、クエン酸一水和物０.２０ｇ（０.９５ｍｍｏｌ）、下記式で表されるＰＥＧ－ジアミン０.５ｍＬ（０.５６ｍｍｏｌ）（Sigma-Aldrich社製）を入れ、溶液を調製した。得られた溶液に、攪拌子及びリン酸２.０ｇを加え、９０℃で４０時間反応させ、黒色粘凋体として、炭素系発光材料１７を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
［実施例１８］
　クエン酸一水和物を０.５４ｇ（２.６ｍｍｏｌ）、Ｌ－システインを０.４６ｇ（３.８ｍｍｏｌ）使用した以外は、実施例４と同じ方法で、炭素系発光材料１８含有水分散液を得た。
［２］量子収率の測定
　各実施例で得られたポリマーについて、蛍光スペクトル及び量子収率の測定を行った。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１に示したように、本発明の方法で得られた炭素系発光材料は、高い量子収率を示した。

Claims (9)

  1. 　多価カルボン酸を含む原料、酸触媒及び溶媒を混合して、加熱することを特徴とする炭素系発光材料の製造方法。
  2. 　前記多価カルボン酸が、クエン酸である請求項１記載の炭素系発光材料の製造方法。
  3. 　前記原料が、更に、アミノ基含有化合物を含む請求項１又は２記載の炭素系発光材料の製造方法。
  4. 　前記アミノ基含有化合物が、アミノ酸である請求項３記載の炭素系発光材料の製造方法。
  5. 　前記アミノ酸が、システインである請求項４記載の炭素系発光材料の製造方法。
  6. 　前記酸触媒が、細孔を有する多孔質体不均一酸触媒である請求項１～５のいずれか１項記載の炭素系発光材料の製造方法。
  7. 　更に、界面活性剤を混合する請求項１～６のいずれか１項記載の炭素系発光材料の製造方法。
  8. 　前記炭素系発光材料がグラフェン構造を有するものである請求項１～７のいずれか１項記載の炭素系発光材料の製造方法。
  9. 　前記炭素系発光材料が、波長３８０～４８０ｎｍの光を発光するものである請求項１～８のいずれか１項記載の炭素系発光材料の製造方法。
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