木质素制备纳米碳点及其荧光性能研究开题报告

碳点（Carbondots,Cdots）是一种尺寸小于10nm的分散的类球形荧光碳纳米颗粒。2004年，Scrivens组的研究人员利用电泳纯化由电弧放电法制备单壁碳纳米管时，首次得到发光碳点。碳点作为一种新型发光材料，一经发现，就引起了人们极大的研究兴趣。目前，碳点因发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、易于功能化、无毒和生物相容性好等优点，在生物成像和标记、分析检测、光电转换以及催化等领域表现出良好的应用前景。这也使碳点成为传统半导体量子点的理想替代者。

2004 年，Xu 等在分离纯化碳纳米管时，发现具有荧光性质的组分并证实其主要成分为碳。通过原子力显微镜证明了其纳米尺寸，掀起了人们研究碳点的热潮。纳米碳点的重要进展: Sun 等使用硝酸回流氧化蜡烛灰得到了碳点，通过 PEG 钝化提高了碳点的荧光产率，推动了碳点由新奇到实用的发展。Liu 等通过凝胶分离得到不同发光颜色碳点，开启了碳点发光机理的研究。Zheng等通过电化学剥离方法制备碳点并研究了碳点的电化学发光。上述研究通过物理或化学方法剥离或切割得到碳点，即Top-down策略。微波、水热等合成方法快速发展丰富了碳点的制备方式。Liu 等通过水热方法碳化硅球表面有机分子获得碳点，碳点的制备进入了 Bottom-up 的阶段，即由有机小分子、生物分子，甚至生物质制备碳点。微波合成技术的引入，将碳点制备由几小时缩短到几分钟。Zhu 等通过水热方法制备碳点，讨论了碳点的形成机理及传感，多色成像应用等。目前碳点制备方法主要有两类: 以石墨类材料为基础的 Top-down 方法和以有机分子为原料的 Bottom-up 方法。碳点也因此被称为石墨烯纳米点( Graphene nanodots) 和碳纳米点( Carbon nanodots) 等。

灵敏检测和化学分析:碳点的发光性质与表面结构有关，碳点与待测物相互作用时，表面电子空穴对的复合效率改变，因而导致碳点荧光增强或猝灭，从而实现对待测物的定性和定量分析。光催化：光催化氧化还原反应技术在新能源、绿色化学及环境领域有重要的应用前景。与其他纳米材料相比，碳点以其优异的物理化学性能（如光诱导电子转移、氧化还原性、可见光吸收）、低制备成本、无毒害且环境友好等特点表现出较好的应用前景。生物医药：传统的量子点虽然可用于离体和在体光学成像实验，但其对人体健康和环境潜在的危害性限制了它的应用。具有低毒性和生物相容性的碳点有望取代量子点，在生物成像上发挥重要作用。

现阶段碳点的制备主要以工业提纯的有机物质或工业合成的有机高分子为主，如小分子的葡萄糖、蔗糖、果糖等；高分子的纤维素及淀粉等物质。这些有机分子碳源的获取需要较高的成本并且在产量上也有一定的限制。

与上文需要人工预先制备的碳水化物相比，自然界中的生物质原料更具优势，如谷物、木料、造纸厂工业废水中的木质素等。本文主要采用的是造纸厂工业废水中的木质素为碳源进行实验，具有较高的经济效益。造纸废水成分复杂，含有大量的木质素、半纤维素、糖类和其他溶出物（残碱、无机盐、挥发酸、氨氮等），若未加处理就排入受纳水体，除消耗溶解氧、影响到水生生物的生存外，还使生物的生理生化，群落结果以及体内组织发生变化，且易受各种有害微生物的侵袭，使水生生物的生物数量、质量下降。利用造纸厂废水中的木质素制备碳纳米点不但可以变废为宝而且还能避免工业废水对水质的污染。通过对造纸厂废水中的木质素进行初步的改性后，再对其进行水热反应制备纳米碳点，对水热反应得到的碳点溶液进行过滤及透析得到纯化后的纳米碳点溶液并进行表征。

综上所述，本文以木质素制备纳米碳点及其荧光性能的研究为目标，尝试以木质素为碳源，在对木质素进行前期的预处理，通过控制预处理的反应时间、反应温度、改性剂的用量及酸碱度等完成对木质素的前期改性达到良好的预期目标；通过水热反应的方法并尝试控制不同的反应时间、酸碱度、温度以及木质素的初始浓度来达到粒径控制和形貌的调控。对其荧光效率进行研究与改进以达到最大荧光效果。其意义在于通过对造纸厂废水中的木质素的利用改善纳米碳点制备中碳源的成本以及对工业废弃木质素的利用，带来较高的经济效益改善环境。