一种米级化学发光碳点薄膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于荧光碳纳米材料技术领域，具体涉及一种米级化学发光碳点薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

化学发光作为一种由化学反应引起的发光，由于其新颖的发光过程引起了各种研究人员的关注。与传统的光致发光发射相比，化学发光发射不需要高能光的激发，从而避免光激发过程的干扰。因此，化学发光已在化学检测、生物分析和冷光源等方面得到广泛应用。然而，受限于传统化学发光反应的液态体系，化学发光的应用也受到严重的限制。因此，开发新型的化学发光状态体系及其相关应用具有极大的价值。

聚合物凝胶因其特殊的状态，使得其可以在固态以及液态之间相互转换，凝胶聚合物作为衬底材料，对各种功能性结构具有极高的容纳性，从而在各个方面有着广泛的应用。如在电子皮肤，柔性电子器件等领域，聚合物凝胶均发挥着重要的作用。将化学发光与聚合物凝胶相结合将展现出更大的应用价值，因此，开发出一种新型的化学发光碳点聚合物凝胶薄膜并进一步展示其应用具有一定的实际意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种米级化学发光碳点薄膜及其制备方法和应用。

本发明具体是通过如下技术方案来实现的。

本发明提供了一种米级化学发光碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：

一种米级化学发光碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、以柠檬酸和邻苯二胺为原料，在160-220℃溶剂热处理，制备碳点；

将聚醚F127溶于有机溶剂中，制备胶体；

S2、将S1制备的碳点与S1制备的胶体混合，并加入过氧化草酸酯，搅拌均匀后，制得化学发光胶体；

S3、将S2制备的化学发光胶体通过刮涂法或模具法涂成胶体薄膜，蒸干溶剂后得到所述薄膜。

优选的，S1中，制备碳点时，使用的溶剂为水和N,N-二甲基甲酰胺按照体积比为1:1混合制备的混合溶剂，柠檬酸和邻苯二胺的质量比为1:1，柠檬酸和混合溶剂的用量比为0.1-1g：20mL。

优选的，S1中，制备碳点时，160-220℃保温10h后，以二氯甲烷为引流剂，以柱层析法层析，收集最先层析出的黄色溶液，40-70℃干燥得到碳点。

优选的，S1中，制备胶体时，使用的有机溶剂为二氯甲烷、乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯或石油醚。

优选的，S2中，碳点和胶体的比例为0.1-0.5g:1L，过氧化草酸酯与胶体的比例为0.5-5g:1L。

优选的，S3中，薄膜尺寸可达到米级，厚度可由刮刀或胶体的量进行调节。

本发明还提供由制备方法制得的米级化学发光碳点薄膜，将过氧化氢喷施于所述薄膜后，所述薄膜产生化学发光，且化学强度具有温度响应性能。

上述米级化学发光碳点薄膜可在信息加密领域、温度传感领域中和图案显示领域中应用。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明以柠檬酸和邻苯二胺为原料，制备荧光碳点，并首次将化学发光体系与聚合物凝胶相结合，通过刮涂法或模具法涂成胶体薄膜，制备了达到米级的化学发光碳点聚合物凝胶薄膜，将过氧化氢喷施于所述薄膜后，所述薄膜产生化学发光，且化学强度具有温度响应性能，利用该性能，可将薄膜应用于温度传感、信息加密、图案显示等领域。

本发明打破了传统化学发光反应的液态体系，制备了一种化学发光薄膜，并且制备方法简单，进一步拓展了化学发光的应用范围。

附图说明

图1为实施例1制备的碳点的TEM照片。

图2为实施例1制备的碳点的荧光光谱以及吸收光谱。

图3为实施例1制备的薄膜的制备示意图。

图4为实施例1制备的薄膜的照片。

图5为实施例1制备的薄膜的SEM图。

图6为实施例2制备的米级薄膜的照片。

图7为应用实施例1中不同温度下薄膜的化学发光照片。

图8为应用实施例1中薄膜的化学发光光谱。

图9为应用实施例1中薄膜的发光强度与温度的关系图。

图10为应用实施例1中薄膜的热成像示意图。

图11为应用实施例1中薄膜的热成像处理过程。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

本发明提供了一种米级化学发光碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、以柠檬酸和邻苯二胺为原料，在160-220℃溶剂热处理，制备碳点；

将聚醚F127溶于有机溶剂中，制备胶体；

S2、将S1制备的碳点与S1制备的胶体混合，并加入过氧化草酸酯，搅拌均匀后，制得化学发光胶体；

S3、将S2制备的化学发光胶体通过刮涂法或模具法涂成胶体薄膜，蒸干溶剂后得到所述薄膜。薄膜尺寸可达到米级，薄膜的厚度可调节范围为0.1mm-1mm，厚度可由刮刀或胶体的量进行调节。

将过氧化氢喷施于所述薄膜后，所述薄膜产生化学发光，且化学强度具有温度响应性能。

实施例1

一种化学发光碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、溶剂热法制备荧光碳点，具体步骤为：

(1)常温下，将0.1g柠檬酸和0.1g邻苯二胺(质量比1:1)溶于10ml水和10ml N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，混合均匀后得到混合溶液；

(2)将(1)得到的混合溶液转移至50ml容积的聚四氟乙烯反应釜中，然后将反应釜放置于鼓风干燥箱中以200摄氏度加热10小时，结束后自然冷却至室温，取出反应后的溶液；

(3)以二氯甲烷为层析液，使用300目硅胶对(2)中所得反应后溶液进行层析，收集最先层析出的黄色溶液，然后将该溶液在40摄氏度之间进行烘干，烘干后即得到我们所需的碳点样品。

图1为实施例1制备的碳点的TEM照片。由图1可知，所制备的碳点的粒径大小约为2-4nm，尺寸较为均一。

图2中a、b分别为实施例1制备的碳点的荧光光谱以及吸收光谱。由图2可知，碳点显示出稳定的荧光发射，且具有较大的斯托克斯位移，可以有效的避免自吸收。

步骤2、化学发光碳点薄膜的制备，如图3所示，具体步骤为：

(1)将聚醚F127溶解于二氯甲烷中，搅拌2h，使其完全溶解得到胶体，其中聚醚F127与二氯甲烷的比例为1g:50ml；

(2)将制备的碳点与(1)中的胶体混合，并加入过氧化草酸酯，搅拌30min，使其完全混合均匀，得到化学发光胶体，其中碳点与胶体的比例为0.3g:1L，过氧化草酸酯与胶体的比例为1g:1L；

(3)将(2)中的化学发光胶体通过刮涂法涂成胶体薄膜，在30-50摄氏度之间蒸干溶剂后得到化学发光薄膜，其中，薄膜的厚度可由刮刀进行调节，本实施例中厚度为0.5mm。

图4为薄膜的照片。由图4可知，薄膜具有优异的柔韧度和透光性，使得薄膜可以有效的应用于多种复杂场景。

图5中a、b分别为不同倍率下薄膜的SEM图。有图5可知，薄膜具有多孔纤维装结构，可以增大薄膜与过氧化氢的接触面积，从而提升薄膜的化学发光效果。

实施例2

一种米级化学发光碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、溶剂热法制备荧光碳点，制备步骤同实施例1；

步骤2、米级化学发光碳点薄膜的制备，如图6所示，包步骤为：

(1)将聚醚F127溶解于二氯甲烷中，搅拌2h，使其完全溶解得到胶体，其中聚醚F127与二氯甲烷的比例为1g:50ml；

(2)将制备的碳点与胶体混合，并加入过氧化草酸酯，搅拌30min，使其完全混合均匀，得到化学发光胶体，其中碳点与胶体的比例为0.3g:1L，过氧化草酸酯与胶体的比例为1g:1L；

(3)将(2)中的化学发光胶体倒入米级的塑料模具中并均匀铺成胶体薄膜，室温蒸干溶剂后得到化学发光薄膜，其中，薄膜的厚度可由倒入化学发光胶体的量进行调节，采用模具法制备化学发光薄膜的方法薄膜的大小可由模具大小决定，实验室条件下我们实现了米级薄膜的制备；本实施例中制备的薄膜的对角线长度为1.18米，厚度为0.5mm。

实施例3

一种米级化学发光碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、溶剂热法制备荧光碳点，具体步骤为：

(1)常温下，将1g柠檬酸和1g邻苯二胺(质量比1:1)溶于10ml水和10mlN,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，混合均匀后得到混合溶液；

(2)将(1)得到的混合溶液转移至50ml容积的聚四氟乙烯反应釜中，然后将反应釜放置于鼓风干燥箱中以160摄氏度加热10小时，结束后自然冷却至室温，取出反应后的溶液；

(3)以二氯甲烷为层析液，使用300目硅胶对(2)中所得反应后溶液进行层析，收集最先层析出的黄色溶液，然后将该溶液在70摄氏度之间进行烘干，烘干后即得到我们所需的碳点样品；

步骤2、米级化学发光碳点薄膜的制备，包步骤为：

(1)将聚醚F127溶解于二氯甲烷中，搅拌2h，使其完全溶解得到胶体，其中聚醚F127与二氯甲烷的比例为1g:50ml；

(2)将制备的碳点与胶体混合，并加入过氧化草酸酯，搅拌30min，使其完全混合均匀，得到化学发光胶体，其中碳点与胶体的比例为0.1g:1L，过氧化草酸酯与胶体的比例为0.5g:1L；

(3)将(2)中的化学发光胶体倒入米级的塑料模具中并均匀铺成胶体薄膜，室温蒸干溶剂后得到化学发光薄膜，其中，薄膜的厚度可由倒入化学发光胶体的量进行调节，采用模具法制备化学发光薄膜的方法薄膜的大小可由模具大小决定，实验室条件下我们实现了米级薄膜的制备。

实施例4

一种米级化学发光碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、溶剂热法制备荧光碳点，具体步骤为：

(1)常温下，将0.5g柠檬酸和0.5g邻苯二胺(质量比1:1)溶于10ml水和10mlN,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，混合均匀后得到混合溶液；

(2)将(1)得到的混合溶液转移至50ml容积的聚四氟乙烯反应釜中，然后将反应釜放置于鼓风干燥箱中以220摄氏度加热10小时，结束后自然冷却至室温，取出反应后的溶液；

(3)以二氯甲烷为层析液，使用300目硅胶对(2)中所得反应后溶液进行层析，收集最先层析出的黄色溶液，然后将该溶液在70摄氏度之间进行烘干，烘干后即得到我们所需的碳点样品；

步骤2、米级化学发光碳点薄膜的制备，包步骤为：

(1)将聚醚F127溶解于二氯甲烷中，搅拌2h，使其完全溶解得到胶体，其中聚醚F127与二氯甲烷的比例为1g:50ml；

(2)将制备的碳点(CD)与胶体混合，并加入过氧化草酸酯(CPPO)，搅拌30min，使其完全混合均匀，得到化学发光胶体，其中碳点与胶体的比例为0.5g:1L，过氧化草酸酯与胶体的比例为5g:1L；

(3)将(2)中的化学发光胶体倒入米级的塑料模具中并均匀铺成胶体薄膜，室温蒸干溶剂后得到化学发光薄膜，其中，薄膜的厚度可由倒入化学发光胶体的量进行调节，采用模具法制备化学发光薄膜的方法薄膜的大小可由模具大小决定，实验室条件下我们实现了米级薄膜的制备。

应用实施例1

化学发光碳点薄膜的温度成像应用

步骤1、将质量分数为30％过氧化氢分散于乙醇中，制备得到过氧化氢溶液，将所制备的过氧化氢溶液装入喷雾瓶中，过氧化氢与乙醇的体积比为1:5；

步骤2、将实施例2化学发光薄膜覆于物体表面，将过氧化氢溶液喷涂于薄膜表面，薄膜产生化学发光，其化学强度随物体温度分布而呈现出明暗图像。

步骤3、使用手机拍摄下化学发光照片，并以预设程序处理该照片，即可得到物体的温度分布图像。

图7为不同温度下薄膜的化学发光照片。由图7可知，薄膜在不同温度下显示出明显的化学发光强度，说明制备的薄膜表现出优异的温度响应性能。

图8为薄膜的化学发光光谱。由图8可知，掺入碳点后，薄膜出现了明显的碳点的化学发光峰，表明薄膜的化学发光来自于碳点。

图9为薄膜的发光强度与温度的关系图。由图9可知，薄膜的化学发光与温度之间有良好的响应关系，且在15～55摄氏度间表现出明显的线性关系，使得该薄膜可以用于温度传感与成像。

图10为薄膜的热成像示意图。由图10可知，薄膜可以有效应用于温度成像，以手掌为例，已经成功实现了手掌的化学发光温度成像。这证明化学发光薄膜用于温度成像是可行的。

图11为薄膜的热成像处理过程。由图11可知，我们将化学发光强度与温度之间构建出关系式后导入手机APP中，实现了以手机为测温处理平台的简单测温成像系统。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。