廣西特產(chǎn)甘蔗渣水熱碳化產(chǎn)物的制備

練麗華 賴曉霞 梁君夏

摘要：以富含纖維素的廢棄生物質(zhì)甘蔗渣為原料，采用水熱法合成了具有熒光性能的碳量子點(diǎn)。對碳量子點(diǎn)進(jìn)行了表征，其粒徑大小約為5-10nm；在紫外燈照射下發(fā)藍(lán)色熒光，對其熒光性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有多元激發(fā)、多元發(fā)射的性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：熒光碳量子點(diǎn)；甘蔗渣；水熱碳化

甘蔗渣是指甘蔗經(jīng)過榨糖之后剩下的部分，它來源集中、產(chǎn)量大，是一種重要的可再生生物資源。它的成分以纖維素，半纖維素以及木質(zhì)素為主，木質(zhì)化程度高，蛋白、淀粉和可溶性糖含量較少。以甘蔗渣作為制備碳材料的來源也有報道，如Nieto-Delgado[1]和Purnomo等[2]采用甘蔗渣作為原料制備活性炭，Zhuo等[3]以甘蔗渣制備活性炭并將其應(yīng)用于超級電容器。本研究選用富含纖維素的廢棄生物質(zhì)甘蔗渣作為碳源，采用綠色環(huán)保的水熱碳化技術(shù)，制備具有熒光性能的碳量子點(diǎn)，為廢棄生物質(zhì)材料的利用開辟了一個新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

甘蔗進(jìn)行壓榨，多次水洗過濾除去剩余糖分，并烘干備用；實(shí)驗(yàn)所用水為超純水。

1.2 熒光碳量子點(diǎn)制備

將甘蔗渣粉末分散于蒸餾水中，然后倒入聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜里，密封后將反應(yīng)釜置于一定溫度下恒溫反應(yīng)一定時間，然后自然冷卻至室溫，打開反應(yīng)釜，將所得的產(chǎn)物超聲分散，然后離心分離，除去沉淀，對所獲得的上層液進(jìn)行透析，最后將產(chǎn)品冷凍干燥一定時間，獲得產(chǎn)物在紫外燈照射下發(fā)藍(lán)色熒光的碳量子點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 透射電鏡分析

從普通透射電鏡中可以得出，所制備的碳量子點(diǎn)有一個較為廣泛的粒徑分布，由幾個納米至十幾個納米不等。從高分辨透射電鏡可以看出，以甘蔗渣為原料制備的碳量子點(diǎn)粒徑大小均勻，大約為5-10nm，且具有晶格條紋，其晶間距為0.32nm。

2.2 原子力顯微鏡分析

從所制備的碳量子點(diǎn)的原子力顯微鏡圖，可以得出其粒徑約為2-20 nm，具有較寬的粒徑分布。

2.3 紅外光譜分析

從碳量子點(diǎn)的紅外光譜圖可以看出，3433cm-1吸收峰對應(yīng)O-H氫鍵的伸縮振動，1700cm-1和1623cm-1吸收峰分別屬于CO和CC伸縮振動峰；在1000-1500cm-1內(nèi)的吸收峰對應(yīng)C-O鍵的伸縮振動和O-H鍵彎曲振動吸收，表明樣品表面有一定的羥基、羧基等官能團(tuán)。

2.4 紫外和熒光光譜分析

碳量子點(diǎn)在紫外吸收區(qū)域沒有一個很明顯的吸收峰，但是有一個寬的吸收波譜，這很可能是由于量子點(diǎn)的一個比較寬的粒徑分布。制得的碳量子點(diǎn)在水溶液中具有較好的分散性，能保持半年以上無沉淀產(chǎn)生。同時，在365nm的紫外燈照射下，溶解于水的量子點(diǎn)溶液發(fā)出強(qiáng)的藍(lán)光.為進(jìn)一步研究所得到的碳量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)，采用F4500熒光分光光度計在不同的激發(fā)波長激發(fā)碳量子點(diǎn)后得到一系列光致發(fā)光光譜。碳量子點(diǎn)與其他大部分發(fā)光碳納米粒子的熒光光譜圖一樣，都依賴于激發(fā)波長，呈現(xiàn)出多元激發(fā)、多元發(fā)射的熒光光譜特性。當(dāng)激發(fā)波長向長波方向移動時，熒光發(fā)射峰也隨之紅移。當(dāng)激發(fā)波長從300-480nm變化時，其最大發(fā)射峰位置和強(qiáng)度也隨之變化，發(fā)光強(qiáng)度是先增加后降低；其中360nm左右達(dá)到最佳激發(fā)波長。從以360nm的波長作為激發(fā)波長獲得的熒光發(fā)射譜圖可以看出，最強(qiáng)的發(fā)射峰出現(xiàn)在450nm左右，整個發(fā)射峰覆蓋在420-550nm之間，屬于藍(lán)光范圍，這與波長為365nm的紫外燈照射下觀察到的藍(lán)光發(fā)射是一致的。

同時，對所獲得的碳量子點(diǎn)進(jìn)行了熒光量子產(chǎn)率的測定。我們認(rèn)為熒光碳量子點(diǎn)的形成是由于甘蔗渣中的主要成分如纖維素、木質(zhì)素、可能的剩余糖分等碳水化合物在水熱條件下進(jìn)行碳化，形成了具有熒光性能的碳量子點(diǎn)。

3 結(jié)論

采用生物質(zhì)廢棄物甘蔗渣作為碳源，利用水熱法制得了良好分散性的碳量子點(diǎn)，對其熒光性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)具有一定的熒光性能，發(fā)射波長依賴于激發(fā)波長，呈現(xiàn)出多元激發(fā)、多元發(fā)射的熒光光譜特性。這種制備方法為我們進(jìn)一步采用其他生物質(zhì)原料為碳源，制備具有熒光性能的碳納米材料提供了實(shí)驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)：

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[2] PUMOMO C W， SALIM C， HINODE H. Effect of the activation method on the properties and adsorption behavior of bagasse fly ash-based activated carbon[J]. Fuel Processing Technology，2012，102（1） ： 132-139.

[3] SI W J， WU X Z， XING W， et al. Bagasse-based nanoporous carbon for supercapacitor application [J]. Journal of Inorganic Materials， 2011， 26（1） ： 107-112.

作者簡介：練麗華（1998.2-），女，漢族，廣東茂名人，廣西梧州學(xué)院2016級本科生，研究方向：林產(chǎn)化學(xué)加工工程。

基金項目：廣西自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（編號：201711354107、201711354104）；梧州學(xué)院校級開放實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項目（編號：2017015、2017017、2017019、2017021）。