一种含有红、绿二元色的黄色碳（氮）量子点的制备方法、产物及其应用与流程

2021-02-02 17:02:02|

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本发明涉及特征功能无机非金属材料技术领域，具体涉及一种含有红、绿二元色的黄色碳(氮)量子点的制备方法、产物及其应用。

背景技术：

迷你leds(mini-leds)、微型leds(micro-leds)、量子点电致发光leds(qleds)等新型照明与显示技术的发展，需要开发新型量子点发光材料。

在白光led器件封装中采用的经典稀土发光材料，如黄色荧光粉(y,gd)3(al,ga)5o12:ce(yag:ce)、绿色荧光粉lu3(al,ga)5o12:ce(luag:ce)、红色荧光粉(ca,sr)alsin3:eu等，这些荧光粉颗粒尺寸往往在微米量级，无法满足mini-leds、micro-leds、qleds应用需求。新型照明与显示技术逐渐向微型化、便携式、柔性化方向发展。一方面要求发光材料颗粒尺寸越做越小，促使荧光材料逐渐向纳米小颗粒与量子点方向发展，另一方面新兴技术对环保与健康提出苛刻要求，倡导采用绿色环保、无毒无害以及在地壳中资源储量丰富的材料。

目前在mini-leds、micro-leds、qleds中获得应用的主要是传统ii-vi族cd(s,se)与(cd,zn)s量子点。人们对iii-v族inp量子点及其衍生物也有诸多探索，但in为稀有资源，且磷化物遇水立即分解，耐候性较差。卤化物钙钛矿量子点cspbx3(x＝cl,br,i)的性能指标提升很快，但卤化物钙钛矿量子点遇水易分解，性质不稳定，这给其应用带来一定障碍。为了满足健康、环保以及新兴技术的应用需求，人们转向开发无机非金属量子点，其中碳量子点颇受关注。

与重金属元素cd、pb相比，碳元素资源丰富，无毒无害，具有很好的生物相容性。这种特点使得碳量子在生物成像、细胞荧光标记、光学探针等领域获得诸多研究。碳量子点具有很好的抗光漂白与抗闪烁性，以及良好的化学稳定性。随着碳量子点性能的提升，发现碳量子点不仅可以在生物领域用于细胞荧光标记，而且有望在照明显示领域获得应用。通过控制反应前驱物与工艺条件，已发展了蓝、绿、黄、红多种发光颜色的碳量子点制备方法，且碳量子点荧光产率已高达80％。

利用蓝光与黄光相混合可以产生白光，这种技术方案已经用于制作白光led器件。在白光led中广泛采用的gainn蓝光芯片搭配钇铝石榴石(y,ga)3(al,ga)5o12:ce黄色荧光粉封装白光led器件正是这种技术方案，公开号为cn110982517a、cn110511750a、cn108358187a、cn110184050a、cn108593617a的专利申请报道了黄色碳量子点的合成，但采用蓝光配合黄光产生的白光，由于缺少红色光谱成分，这种二元色白光的显色指数较低，通常ra<75。为了提高显色指数，一种方式是添加红色荧光粉或红色量子点，但采用多种成分的荧光材料会增加成本与操作工序。

单质复色(一种物质多种颜色)碳量子点亦有报道，但现有技术中的二元色碳量子点主要集中于蓝光与黄光。对于这种蓝-黄二元色碳量子点，其优点是在紫外/近紫外光激发下或者电致激发下可以直接产生白光，但采用这种蓝-黄二元色碳量子点产生的白光，显示指数低的缺点依然存在。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的碳量子点在激发下产生的白光显示指数低。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种含有红、绿二元色的黄色碳(氮)量子点的制备方法，包括以下步骤：将苯甲酸、邻苯二胺与极性有机溶剂倒入反应釜中，于140-260℃反应1-24h后，对反应釜内的产物进行纯化，即制得含有红、绿二元色的黄色碳(氮)量子点，所述邻苯二胺与苯甲酸的摩尔比为5:3-15。

原理：单独以邻苯二胺制备的量子点发射绿光，加入苯甲酸后，在邻苯二胺聚合的碳量子点结构中引入的2-苯基苯并咪唑基团造成红光发射。本发明通过控制邻苯二胺与苯甲酸的浓度、反应温度与反应时间，可以调节反应产物中邻苯二胺基团与2-苯基苯并咪唑基团的比例，并调节绿光与红光的相对强度。

由邻苯二胺基团生成的产物，其激发带在紫外至蓝光范围，利用紫外-蓝光激发可以获得绿光发射；由2-苯基苯并咪唑基团生成的产物，其激发带在绿光与橘红色光范围，采用绿光与橘红色光激发可以获得红光发射。

氮原子半径比碳大，并且氮原子成键后其外层往往具有未成键的孤对电子，因此，利用氮取代碳可以使发射光谱红移，本发明中的碳(氮)量子点表示含有氮取代的碳量子点，具体为苯二胺聚合的碳量子点结构中引入的2-苯基苯并咪唑基团，其中2-苯基苯并咪唑基团中含有氮量子点。

有益效果：本发明制得的黄色碳(氮)量子点能够同时发射绿光和红光，本发明制得的黄色碳(氮)量子点与常规黄色碳量子点相比，本发明显色指数均大于80，能够提高显色指数、扩大色域范围，且节省经济成本。

如果不在上述范围而进一步增大苯甲酸的量，不利于提高发光强度，上述范围已经包含最佳浓度点，再增大苯甲酸没有益处。

优选地，所述邻苯二胺在溶剂中的质量百分比为x，所述0<x<30％。

有益效果：邻苯二胺在溶剂中的质量百分比不会影响其同时发射绿光和红光的波长，但会影响其相对强度。邻苯二胺与苯甲酸的相对含量对于发光强度的影响，已通过改变苯甲酸的量进行优化。

在单独研究以邻苯二胺为原料合成绿色碳量子点时，已对邻苯二胺的量进行了优化，邻苯二胺在溶剂中的质量百分比为x，所述0<x<30％。

优选地，所述极性有机溶剂包括甲醇、乙醇、二甲亚砜(dmso)、二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基乙酰胺(dma)中的一种或多种。

有益效果：本发明以邻苯二胺、苯甲酸为原料，甲醇、乙醇或其他极性有机溶剂作为溶剂，邻苯二胺与2-苯基苯并咪唑基团形成的类石墨相二维结构新物质，该不同于采用单个六元环苯两个六元环萘形成的类石墨结构黄色碳(氮)量子点。

与现有含有黄色碳(氮)量子点制备方法相比，本发明以邻苯二胺、苯甲酸、甲醇或乙醇及含了其它极性成分的有机液体为溶剂，提供了一种特殊的溶剂热反应制备碳(氮)量子点的工艺路线。尽管现有技术中存在利用邻苯二胺与对苯二甲酸、甲酸、柠檬酸等酸性试剂的反应路线，但是利用邻苯二胺与苯甲酸反应生成含有苯并咪唑结构碳(氮)量子点的技术路线尚未有人报道。

优选地，所述纯化包括以下步骤：采用过滤膜过滤、利用透析袋透析、过液相色谱柱，得到纯化后的黄色碳(氮)量子点。

优选地，所述过滤膜的孔径为0.22μm。

优选地，采用透析袋在正己烷、乙醇中进行透析。

优选地，所述液相色谱柱以二氯甲烷和甲醇为溶剂。

优选地，将纯化后的黄色碳(氮)量子点转移至有机溶剂中保存，或采用冷冻干燥获得固体粉末，再将获得的固体粉末分散在有机溶剂中使用。

本发明还提供一种由上述制备方法制得的含有红、绿二元色的黄色碳(氮)量子点。

有益效果：本发明制得的黄色碳(氮)量子点能够同时发射绿光和红光，本发明制得的黄色碳(氮)量子点与常规黄色碳量子点相比，本发明能够提高显色指数、扩大色域范围，且节省经济成本。

本发明还提供一种由上述制备方法制得的含有红、绿二元色的黄色碳(氮)量子点在led光源、led器件的应用。

有益效果：本发明中制得的黄色碳原子量子点具有单质复色特性、能量传递特性与选择激发特性，使其能够应用于led光源、led器件，实现色温连续可调。

优选地，所述led器件包括mini-leds、micro-leds、qleds。

优选地，所述led器件的制备包括以下步骤：

(1)制备黄色碳(氮)量子点荧光薄膜：将黄色碳(氮)量子点分散在有机溶剂中，利用有机溶剂旋涂制备黄色碳(氮)量子点荧光薄膜；

(2)将黄色荧光薄膜覆在底部为蓝光led激发的透光板上，即获得led器件。

有益效果：通过控制蓝光led的发光强度，调节蓝光与特种黄光的强度比例，获得色温连续可调的白光光源，适于不同季节调控情绪健康。

优选地，所述有机溶剂为聚乙烯醇。

优选地，所述黄色碳(氮)量子点荧光薄膜的厚度为300μm。

本发明还提供一种由上述制备方法制得的含有红、绿二元色的黄色碳(氮)量子点在生物细胞成像、荧光防伪中的应用。

有益效果：本发明制得的黄色碳(氮)量子点，具有选择激发特性，在蓝光激发下，该黄色碳(氮)量子点能够同时发射绿光与红光，而采用绿光或黄光激发，该量子点能够发射红光，该选择激发特性可用于生物细胞成像，通过利用不同波长激发鉴别细胞活性，该选择激发特性也可用于荧光防伪。

本发明的优点在于：本发明制得的黄色碳(氮)量子点能够同时发射绿光和红光，本发明制得的黄色碳(氮)量子点与常规黄色碳量子点相比，本发明利用该特殊黄光，能够提高显色指数、扩大色域范围，且节省经济成本。

本发明以邻苯二胺、苯甲酸为原料，甲醇或乙醇及极性溶剂作为溶剂，邻苯二胺与2-苯基苯并咪唑基团形成的类石墨相二维结构新物质，该黄色碳(氮)量子点不同于采用单个六元环苯两个六元环萘形成的类石墨结构碳量子点。

与现有黄色碳量子点制备方法相比，本发明以邻苯二胺、苯甲酸、甲醇或乙醇及含了其它极性成分的有机液体为溶剂，提供了一种特殊的溶剂热反应制备黄色碳(氮)量子点的工艺路线。尽管现有技术中存在利用邻苯二胺与对苯二甲酸、甲酸、柠檬酸等酸性试剂的反应路线，但是利用邻苯二胺与苯甲酸反应生成含有苯并咪唑结构黄色碳(氮)量子点的技术路线尚未有人报道。

本发明中制得的黄色碳原子量子点具有单质复色特性、能量传递特性与选择激发特性，使其能够应用于mini-leds、micro-leds、qleds、生物细胞成像、荧光防伪以及制备色温连续可调的白光光源等领域。

附图说明

图1为本发明实施例1中采用不同含量邻苯二胺与苯甲酸合成碳量子在472nm激发下的发射光谱图；

图2为本发明实施例1中采用不同含量邻苯二胺与苯甲酸合成碳量子在538nm激发下的发射光谱图；

图3为本发明实施例1中采用不同含量邻苯二胺与苯甲酸合成碳量子在572nm激发下的发射光谱图；

图4为本发明实施例1中采用不同含量邻苯二胺与苯甲酸合成碳量子监测542nm测得的激发光谱图；

图5为本发明实施例1中采用不同含量邻苯二胺与苯甲酸合成碳量子监测600nm测得的激发光谱图；

图6为本发明实施例1中采用不同含量邻苯二胺与苯甲酸合成碳量子监测647nm测得的激发光谱图；

图7为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点365nm激发下的发射光谱图；

图8为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点472nm激发下的发射光谱图；

图9为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点538nm激发下的发射光谱图；

图10为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点572nm激发下的发射光谱图；

图11为本发明实施例2中在不同温度条件下合成碳(氮)量子点在472nm激发下的发射光谱在色度图中的坐标；

图12为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点监测542nm测得的激发光谱图；

图13为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点监测600nm测得的激发光谱图；

图14为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点监测647nm测得的激发光谱图；

图15为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在180℃下合成碳(氮)量子点的高分辨透射电镜图；

图16为本发明实施例2中邻苯二胺反应生成绿色发光碳(氮)量子点的反应机理示意图；

图17为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸反应生成绿色与红色发光构成的特殊黄光碳(氮)量子点反应机理示意图

图18为本发明实施例2中邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在190℃合成碳(氮)量子点在472nm激发下的发射光谱与监测600nm测得的激发光谱图；

图19为本发明实施例2中利用碳(氮)量子点荧光薄膜制作的色温连续可调的白光光源发射光谱随温度的变化图；

图20为本发明实施例2中利用碳(氮)量子点荧光薄膜制作的白光光源色坐标随电流的变化图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中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。

下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

实施例1

通过控制邻苯二胺与苯甲酸成分比例调控碳(氮)量子点发光。

按照表1所示成分，称取各种原料，经充分搅拌溶解后，装入聚四氟乙烯材质的反应釜内胆中，将反应釜内胆装入不锈钢裂解罐，再将不锈钢裂解罐放入干燥箱中，按照表1所示工艺于180℃保温10h，自然冷却至室温。本实施例中极性有机溶剂为乙醇，乙醇用量为20ml，邻苯二胺在溶剂中的质量百分比是0.94％。

打开反应釜后，首先采用0.22μm滤膜对反应产物进行过滤。进而，使用液相色谱柱(以二氯甲烷与甲醇为溶剂)进行提纯，去除有机杂质。接着，采用1-50kd透析袋在乙醇中进行透析，透析后把量子点转移至乙醇溶剂中。

表1为本实施例中样品编号、成分配比与合成工艺条件

测定结果：采用f4600荧光光谱仪采集碳量子溶液的发射与激发光谱，如图1-6所示。如图1，在472nm蓝光激发下，同时获得了发射波长峰值为541nm的绿光和与波长峰值为600nm的红光发射，在472nm激发下发光最强的是2号样品；如图2和图3，在538nm绿光和572nm橙色光激发下，获得了发射波长峰值为600和650nm的红光，红光的发光强度随着苯甲酸的增大而增强。如图4，通过监测542nm发射，测得的激发光谱中包含峰值分别为392和472nm两个激发带，表明该量子点能够有效地被近紫外和蓝光激发；监测600和647nm红光发射，测得的激发光谱分别如图5和图6所示，激发光谱中不仅观测到波长峰值392和472nm两个激发带，而且观测到峰值分别为537和574nm的绿光与橘色光激发带，说明采用绿光与橘色光激发时能够有效获得红光发射。本实施例中的碳(氮)量子点表示含有氮取代的碳量子点。

实施例2

通过反应温度调控发光

本实施例的制备方法与实施例1的不同之处见表2。

本实施例中合成碳(氮)量子点在365、472、538和572nm激发下的发射光谱分别如图7-图10所示。与图1-4相比可以发现，在相同成分与同等激发波长条件下，随温度升高，发射波长峰值为541nm左右的绿光成分相对强度减弱，而发射波长峰值为600nm和650nm红光成分相对强度增大，在210℃条件下合成的样品最强，220℃样品红光发射强度比210℃样品低。因此，在一定范围内升高温度有利于提高红光的相对强度。

图11为在不同温度条件下合成碳(氮)量子点在472nm激发下的发射光谱在色度图中的坐标，随着反应温度的升高，碳(氮)量子点在472nm激发下的发射光谱色度坐标逐渐向红光区域移动。此外，图7和图8表明，在近紫外与蓝光激发下，升高温度不利于提高整体发光强度，在190-200℃合成的量子点整体发光强度较强。

图12-图14为邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在不同温度合成碳(氮)量子点监测542nm、600nm、647nm测得的激发光谱，在监测542nm的激发光谱中，最佳激发位置在472nm，监测600nm的激发光谱中，最佳激发位置在538nm，在监测600nm的激发光谱中，最佳激发位置在538nm。472nm的激发峰来源于碳核中的π-π*的跃迁引起的，538nm的激发峰来源于碳量子点引入的2-苯基苯并咪唑中的n-π*的跃迁引起的。

采用高分辨透射电子显微镜对本实施例合成的6号样品碳(氮)量子点微观形貌进行表征，如图15，碳(氮)量子点颗粒均匀，通过图15右下角放大图显示，碳(氮)量子点典型尺寸为2.5-3nm，图15左上角插图显示，本实施例合成碳(氮)量子点的晶格条纹距约为0.21nm，与石墨的(100)晶面较为相似，说明碳核中是类石墨结构。

在没有苯甲酸存在情况下，绿色碳(氮)量子点源于聚邻苯二胺生产的碳(氮)量子点，其反应机理如图16所示。在有苯甲酸存在情况下，苯甲酸和邻苯二胺在高温与高压下首先发生酰胺化反应，生成n-(2-氨基苯基)苯甲酰胺，随苯甲酸含量增大以及反应温度升高，n-(2-氨基苯基)苯甲酰胺进一步脱水，生成2-苯基苯并咪唑结构。所以，邻苯二胺与苯甲酸反应合成的碳(氮)量子点，不仅由聚邻苯二胺构成，而且包含由邻苯二胺与2-苯基苯并咪唑结合生成的复合结构，其反应机理可以用图17表示。

图18为邻苯二胺与苯甲酸摩尔比固定为1:3在190℃合成碳(氮)量子点在472nm激发下的发射光谱与监测600nm测得的激发光谱，表明存在绿光碳(氮)量子点向红光碳(氮)量子点的能量传递。本实施例中的碳(氮)量子点表示含有氮取代的碳量子点。

表2为本实施例中样品编号、成分配比与合成工艺条件

实施例3

碳(氮)量子点荧光薄膜与色温连续可调的白光光源

以深圳思沃特照明有限公司生产的3w蓝光筒灯为蓝光激发源，该筒灯采用三安光电5730芯片，芯片额定功率为0.5w，每个筒灯配制6粒led灯珠。

首先配制质量分数为10％的聚乙烯醇(pva)水溶液，待pva完全溶解后，取上述实施例2中制备的9号碳(氮)量子点按照体积比为15％向pva溶液中加入碳(氮)量子点溶液，把碳(氮)量子点与pva溶液充分混合均匀，经脱泡除气后，把混入了碳(氮)量子点的pva溶液涂覆在导光板上，待pva溶液干燥后，在导光板上方形成一层固态碳(氮)量子点荧光薄膜。本实施例中pva的平均分子量是75000-80000。

其中，本实施例优化碳(氮)量子点荧光薄膜的厚度为300μm。蓝光穿透碳(氮)量子点荧光薄膜时，蓝光激发碳(氮)量子点发射的黄光与led芯片发射的蓝光混合，产生白光。利用调光器连续控制蓝光led的发光强度以及蓝光与黄光的比例，用于调节色温与显色指数。

利用海洋光学usb4000光纤光谱仪采集光谱，图19是本实施例制作的特殊光源分别在25、50、75、100ma电流驱动下的发射光谱，随电流增大，其色度坐标从(0.38，0.41)经(0.37，0.40)、(0.36，0.37)逐渐移动到(0.35，0.35)，如图20所示。光源的色度坐标、显色指数和色温数值如表3所示，显色指数均大于80，色温可实现4100k到5000k之间连续可调。

本实施例说明，利用本发明合成的特殊黄色碳(氮)量子点可以制作色温连续可调的高显色白光。利用类似原理，可以把本发明合成的特殊黄色碳(氮)量子点用于封装高显色白光led器件，以及用于选择激发、生物细胞成像、荧光防伪等领域。本实施例中的碳(氮)量子点表示含有氮取代的碳量子点。

表3为光源的色度坐标、显色指数和色温

实施例4

本实施例与实施例1的区别之处在于：采用的极性有机溶剂为甲醇。

实施例5

本实施例与实施例1的区别之处在于：采用的极性有机溶剂为二甲亚砜。

实施例6

本实施例与实施例1的区别之处在于：采用的极性有机溶剂为二甲基乙酰胺。

对比例1

本对比例与实施例1的区别之处在于：不加入邻苯二胺。

称取苯甲酸、乙醇，经充分搅拌溶解后，装入聚四氟乙烯材质的反应釜内胆中，将反应釜内胆装入不锈钢裂解罐，再将不锈钢裂解罐放入干燥箱中，于180℃保温10h，自然冷却至室温。乙醇用量为20ml。

结果：利用苯甲酸与乙醇单独反应，没有发现红光。