一种碳量子点纳米材料的制备方法及其应用与流程

1.本发明涉及碳量子点纳米材料技术领域，尤其是涉及一种碳量子点纳米材料的制备方法及其应用。


背景技术：

2.随着人口的增长和经济的不断发展，以及对环境的破坏，水资源的需求量不断增加，资源的消耗刺激了对更加可持续的水处理战略的探索。正渗透作为一种能自发进行的膜处理技术，具有良好的应用前景。对于正渗透水处理技术而言，其主要由选择性透过膜、原料液和汲取液三部分组成。在正渗透水处理技术过程中，选择渗透压高且易于分离的汲取液尤为重要。
3.碳量子点具有优秀的光学性质，良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等诸多优点，是一种优异的正渗透汲取液材料。现有的碳量子点材料的制备方法获得碳量子点含有的羧基量少，汲水速率低，影响其实际应用。故提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的在于提供一种碳量子点纳米材料的制备方法，该方法制备得到的碳量子点纳米材料含有丰富的羧基。本发明的第二目的在于提供碳量子点纳米材料作为汲取液的应用，汲水速率高。
5.本发明提供一种碳量子点纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)柠檬酸热解：将无水柠檬酸和na2so4混合，在180-210℃下热解，得到棕黑色固体；
7.(2)中和：将棕黑色固体溶解于水中，然后滴加naoh溶液，并调节ph至7，得到混合溶液；
8.(3)精制：向混合溶液中加入乙醇，搅拌混合后静置，取下层黑色粘稠液体，加水稀释，再加乙醇搅拌混合，如此重复多次后，将黑色粘稠液体滴加入甲醇中，形成棕色沉淀；棕色沉淀抽滤后再用甲醇洗涤，反复抽滤多次后将所得固体进行真空干燥，得到碳量子点纳米材料。
9.优选地，步骤(1)中无水柠檬酸与na2so4的质量之比为20:(0.1-1)。更优选为20:1。
10.优选地，步骤(1)中的热解时间为150-360分钟。更优选为200分钟。
11.优选地，步骤(2)中naoh溶液的浓度为8-10mol/l。更优选为10mol/l。滴加的naoh溶液能够将羧基中和变成羧酸钠，溶解速度更快，溶解度更高，渗透压更高。
12.优选地，步骤(3)中加入的水的体积为黑色粘稠液体体积的1-1.2倍。
13.优选地，步骤(3)中制备得到的所述碳量子点纳米材料的尺寸为30-50nm。
14.优选地，步骤(3)中真空干燥的温度为40-50℃。
15.本发明提供采用上述制备方法获得的碳量子点纳米材料作为正渗透汲取液的应用。
16.综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
17.本发明提供的碳量子点纳米材料的制备方法通过添加na2so4辅助无水柠檬酸热解，得到丰富羧基的碳量子点；同时na2so4的部分硫酸根也能负载在碳量子点表面，羧基水解，其中形成的羧酸钠水解速度更快，提供渗透压，提高了碳量子纳米材料的渗透压与正渗透汲水能力，汲水速率是常用的2mol/l nacl汲取液的1.57倍。
18.本发明提供的碳量子纳米材料的制备方法简单易操作，原料成本低，具有低毒性、对环境友好的优点。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例制备得到的碳量子点纳米材料的ftir图；
21.图2为本发明实施例和对比例制备得到的碳量子点纳米材料的xrd图；其中(a)为对比例，(b)为实施例；
22.图3为本发明实施例制备得到的碳量子点纳米材料的tem图像；
23.图4为本发明实施例制备得到碳量子点纳米材料的水溶液各种状态下的照片；其中(a)为碳量子点纳米材料的水溶液，(b)为365nm紫外灯照射下；(c)为加入fecl3在365nm紫外灯照射下；
24.图5为本发明实施例和对比例制备得到的碳量子点纳米材料的汲取速率对比图。
具体实施方式
25.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例
29.一种碳量子点纳米材料的制备方法，具体过程如下：
30.(1)柠檬酸热解
31.称取5g的na2so4和100g的无水柠檬酸加入到500ml烧杯中，混合均匀，烧杯上面盖上培养皿，放入到烘箱内，在200℃下，保温200min，热解得到棕黑色固体。
32.(2)中和
33.将步骤(1)中的棕黑色固体溶解到适量的水中，然后滴加10mol/l的naoh溶液，调节ph值到7，得到混合溶液。
34.(3)精制
35.向混合溶液中加入乙醇，搅拌混合后静置，去除上清液，留取下层黑色粘稠液体，向黑色粘稠液体中加一倍体积的水稀释，再加乙醇搅拌混合，如此重复3-5次，得到黑色粘稠液体；
36.将黑色粘稠液体滴加入甲醇中，形成棕色沉淀，对棕色沉淀进行抽滤后再用甲醇洗涤，重复抽滤2-3次，将所得固体在40℃下真空干燥12h，即制得碳量子点纳米材料。其中添加的乙醇、甲醇能够将材料中吸附的水分带走。
37.对比例
38.一种碳量子点纳米材料的制备方法，与实施例的技术方案基本一致，不同之处在于：未添加na2so4。
39.图1为实施例和对比例中制备得到的碳量子点纳米材料的ftir谱图，与无na2so4促进柠檬酸热解的对比，可以看出实施例制备得到的碳量子点总体谱图峰型不变，1100cm-1
左右的特征峰对应-so3na。
40.图2为实施例和对比例中制备得到的碳量子点纳米材料的xrd图，加入na2so4促进柠檬酸热解得到的碳量子点纳米材料的xrd图中的总体特征峰为na2so4的特征峰，但又在角度30
°
左右含有碳量子点的非晶态峰型，可以等同于碳量子点与na2so4的结合。
41.图3为实施例中制备得到的碳量子点纳米材料的tem图像，可以看出碳量子点分散均匀，粒径大小为30-50nm。
42.将实施例中制备得到的碳量子点纳米材料溶解到水中配置成0.43g/g碳量子点溶液，如图4中的(a)图所示；将其放置在365nm的紫外灯照射下可以看出其具有荧光性质，如图4中的(b)图所示；向0.43g/g碳量子点溶液加入fecl3(因为fe
3+
和碳量子点结合，荧光颜色发生变化，能够进一步说明是碳量子)，放置在365nm的紫外灯照射下荧光颜色发生了变化，如图4中的(c)图所示。
43.将实施例和对比例制备的碳量子点纳米材料均溶解在水中配配置成0.43g/g碳量子点溶液，同时还配置了2m的nacl溶液，测试三种溶液的汲取速率，测试结果如图5所示。
44.测试采用本领域的常规测试方法进行，搭建实验装置，平板正渗透膜将整个装置分为两部分，其中一侧为较低渗透压的供给液，另外一侧为较高渗透压的汲取液。由于正渗透膜自身存在的选择透过性，依靠两侧溶液的渗透压差，可将较低渗透压的供给液中的水汲取至汲取液中。为了使两侧溶液能较好地流动，在每侧溶液旁均接上一个蠕动泵。流动方式为顺流，两侧溶液均为下进上出，以达到更好的接触效果。采取的供给液为海水，汲取液的流速为25cm/s。从图5中可以看出，实施例和对比例的碳量子点溶液汲取速率均大于
2mol/l nacl溶液，其中对比例的碳量子点溶液汲取速率为2mol/l nacl溶液的1.16倍，实施例的碳量子点溶液汲取速率为2mol/l nacl溶液的1.57倍。
45.本发明中提供的碳量子纳米材料的制备方法添加na2so4辅助无水柠檬酸的热解，得到含有丰富羧基的碳量子点，由此提高了碳量子点的渗透压与正渗透汲水能力，汲水速率是常用的2mol/l nacl汲取液的1.57倍。
46.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种碳量子点纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)柠檬酸热解：将无水柠檬酸和na2so4混合，在180-210℃下热解，得到棕黑色固体；(2)中和：将棕黑色固体溶解于水中，然后滴加naoh溶液，并调节ph至7，得到混合溶液；(3)精制：向混合溶液中加入乙醇，搅拌混合后静置，取下层黑色粘稠液体，加水稀释，再加乙醇搅拌混合，如此重复多次后，将黑色粘稠液体滴加入甲醇中，形成棕色沉淀；棕色沉淀抽滤后再用甲醇洗涤，重复抽滤多次后将所得固体进行真空干燥，得到碳量子点纳米材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中无水柠檬酸与na2so4的质量之比为20:(0.1-1)。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的热解时间为150-360分钟。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中naoh溶液的浓度为8-10mol/l。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中加入的水的体积为黑色粘稠液体体积的1-1.2倍。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中制备得到的所述碳量子点纳米材料的尺寸为30-50nm。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中真空干燥的温度为40-50℃。8.一种采用权利要求1-7任一所述的制备方法获得的碳量子点纳米材料作为正渗透汲取液的应用。

技术总结
本发明涉及碳量子点纳米材料技术领域，尤其是涉及一种碳量子点纳米材料的制备方法及其应用。包括以下步骤：(1)将无水柠檬酸和Na2SO4混合热解，得到棕黑色固体；(2)将棕黑色固体溶解于水中，然后滴加NaOH溶液，并调节pH至7，得到混合溶液；(3)向混合溶液中加入乙醇，搅拌混合后静置，取下层黑色粘稠液体，加水稀释，再加乙醇搅拌混合，如此重复多次后，将黑色粘稠液体滴加入甲醇中，形成棕色沉淀；抽滤后用甲醇洗涤，重复抽滤多次后将所得固体真空干燥，得到碳量子点纳米材料。本发明提供的方法通过添加Na2SO4辅助无水柠檬酸热解，得到丰富羧基的碳量子点，提高了碳量子纳米材料的渗透压与正渗透汲水能力。压与正渗透汲水能力。压与正渗透汲水能力。


技术研发人员：李琦 李海桥
受保护的技术使用者：秀川膜科技（北京）有限公司
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/10/7