李冬輝,樊潔心,王曉敏
(太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原030024)
N摻雜石墨烯量子點(diǎn)的制備及其光催化降解性能
李冬輝,樊潔心,王曉敏
(太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原030024)
石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)作為綠色、經(jīng)濟(jì)的新型碳質(zhì)納米材料在有機(jī)污染物的降解、能源利用方面有著廣泛的應(yīng)用前景。以檸檬酸為碳源,尿素作為氮源,通過水熱法制備出尺寸均勻、高熒光的N摻雜石墨烯量子點(diǎn)(N-GQDs)。通過X射線衍射、拉曼光譜、透射電子顯微鏡、熒光光譜、紫外可見吸收光譜等手段對N-GQDs的晶型結(jié)構(gòu)、微觀形貌、表面官能團(tuán)分布和光物理性能進(jìn)行表征。通過MTT法對N-GQDs的毒性進(jìn)行檢測,又通過對亞甲基藍(lán)(MB)的光催化降解考察樣品的光催化性能。結(jié)果表明,制備的N-GQDs尺寸均勻、熒光強(qiáng)度高且毒性低。由于N原子的成功摻雜,N-GQDs作為光催化劑在可見光下對MB進(jìn)行光催化降解比MB的自身降解更快,在短時(shí)間內(nèi)(120 min)降解率可以達(dá)到82.5%。
N摻雜石墨烯量子點(diǎn);熒光特性;光催化降解;微觀結(jié)構(gòu)
利用N原子低的介電常數(shù)和較寬的能帶隙,產(chǎn)生強(qiáng)給電子體特性,促進(jìn)電子傳導(dǎo),改善穩(wěn)定性的特點(diǎn),N摻雜的碳質(zhì)材料備受電催化領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1]。Barman課題組通過自下而上的方法組裝了二維的C3N4片應(yīng)用于汞離子的電化學(xué)傳感[2]。Tian等[3]直接用超聲波輔助剝落法從g-C3N4溶液中獲得超薄g-C3N4納米片作為低成本和高效的電催化劑來減少H2O2。近來文獻(xiàn)報(bào)道,制備的NGQDs不僅保持著石墨烯的性質(zhì),同時(shí)具備高電催化性和高電導(dǎo)率,預(yù)計(jì)在可見光區(qū)域可以展示出小帶隙和較強(qiáng)的吸收峰,能夠成為很好的半導(dǎo)體材料[4]。
作為零維石墨烯材料,石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)由于具有特殊邊緣效應(yīng)及表面結(jié)構(gòu),顯示出豐富的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移、氧化還原性能和熒光等光物理或化學(xué)性能[5,6]。GQDs具有比表面積大、成本低廉、無毒等優(yōu)點(diǎn),借助GQDs提高可見光的利用率,與無機(jī)半導(dǎo)體材料光催化劑復(fù)合應(yīng)用于光催化降解領(lǐng)域備受關(guān)注。Saud等人[7]通過將GQDs固定于TiO2納米纖維上作為有效的光催化劑用于污水處理。Gupta等[8]將GQDs填充到TiO2納米管陣列中,GQDs可以廣泛的吸收可見光,大量的光生電子從TiO2中轉(zhuǎn)移到GQDs上可以促使光誘導(dǎo)電荷的分離,再加之GQDs對MB分子的強(qiáng)大吸附能力,可以大大提高光催化降解速率。GQDs以其非凡的物理特性提高了無機(jī)半導(dǎo)體材料的光催化降解性能,對廢水處理、光能源利用存在潛在意義[9-14]?;贕QDs研究側(cè)重于輔助無機(jī)半導(dǎo)體材料提高對可見光的利用率,有助于對有機(jī)染料(OM)的光催化降解作用。有關(guān)GQDs在整個(gè)過程中如何參與降解問題的深入研究,以及本身作為催化劑來降解OM是研究光催化領(lǐng)域有意義的工作。
筆者課題組通過直接檸檬酸水熱法合成尺寸均勻、量子產(chǎn)率穩(wěn)定的N-GQDs。利用各種表征手段分析N-GQDs的微觀結(jié)構(gòu)及光物理特性,考察NGQDs的細(xì)胞毒性,探究N-GQDs促進(jìn)OM光催化降解的降解機(jī)理。
2.1N-GQDs的制備及其體外細(xì)胞毒性測試
N-GQDs的制備。檸檬酸2.52 g(天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)和尿素2.16 g(天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)溶解到60 mL的去離子水中,攪拌直至完全溶解。然后將溶液轉(zhuǎn)移到一個(gè)100 mL的聚四氟乙烯襯里不銹鋼高壓釜中。加熱到160℃保持4 h。在反應(yīng)后的溶液中加入適量的的無水乙醇(天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司),靜置一段時(shí)間后在10 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min。然后溶液在冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)中凍干。
N-GQDs的體外細(xì)胞毒性測試。在一個(gè)96孔板中加入100 μL的MG-63細(xì)胞培養(yǎng)基(4×104cells/mL),再向每個(gè)孔中的細(xì)胞培養(yǎng)基中補(bǔ)充10%的胚胎牛血清,在37℃、通有5%的二氧化碳濕潤培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。然后,將濃度分別為12.5、25、50、100、200 μg/mL的N-GQDs水溶液添加微孔中,培養(yǎng)48 h后用磷酸鹽緩沖液將中間產(chǎn)物清洗掉。然后將100 μL、5 mg/mL的MTT溶液加入繼續(xù)培養(yǎng)4 h。清除培養(yǎng)基和MTT,滴入二甲基亞砜在室溫下震動(dòng)后測量。
2.2表征
采用TD-3500型X-射線衍射儀(XRD,輻射源為Cu Kα,管電壓為30kV,管電流為20 mA)測試樣品的晶體結(jié)構(gòu);采用FTS-165型傅里葉紅外光譜儀(波長4 000~400 cm-1)分析樣品的各種基團(tuán);采用JEM-2010型高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM,電子槍為LaB6,加速電壓為200 kV)觀察樣品的表面形貌及其碳納米顆粒的分布;采用Horiba Jobin Yvon Fluromax-4(日本)熒光分光光度計(jì)測量光致發(fā)光光譜;使用Hitachi U-3900紫外-可見分光光度計(jì)獲得N-GQDs分散在水中的紫外-可見吸收光譜。
2.3N-GQDs的光催化性能評(píng)價(jià)
N-GQDs的光催化反應(yīng)在300 W氙燈(北京泊菲萊科技有限公司)照射下進(jìn)行。光照反應(yīng)過程如下:將1 mL(100 ug/mL)的N-GQDs溶液添加到50 mL的MB水溶液(10 mg/L)中,光照前混合液避光攪拌1 h,以達(dá)到吸附脫附平衡。300 W氙燈作為光源,經(jīng)400 nm濾光片過濾提供可見光照射。光照開始后,每隔30 min取5 mL的溶液由Hitachi U-3900型紫外可見分光光度計(jì)測定其在664 nm處的吸光度。由對MB的降解率E評(píng)估N-GQDs的催化活性。MB的降解率E由MB溶液在光反應(yīng)t時(shí)間時(shí)的吸光度(A)與MB溶液吸附平衡的吸光度(A0)計(jì)算所得,公式為E=(A0-A)/A0×100%。
3.1結(jié)構(gòu)與成分
圖1為高分辨率下N-GQDs的TEM照片。從圖1可以看出N-GQDs均勻分布,且計(jì)算出的平均粒徑在2.65 nm左右,在TEM照片中的明顯的晶格結(jié)構(gòu)能夠顯示出合成的納米粒子有石墨的性質(zhì)。從圖中可以看出其晶格間距為0.21 nm,和石墨的(002)晶面相似[15]。表明產(chǎn)物為由納米晶體核石墨sp2碳原子組成。
圖2(a)為N-GQDs的FT-IR光譜圖。FT-IR圖表示了N-GQDs的表面官能團(tuán)的存在。在3 428 cm-1附近出現(xiàn)的特征峰為醇中的OH伸縮振動(dòng)峰,位于3 202 cm-1的特征峰為羧基中OH伸縮振動(dòng)吸收峰,2 926 cm-1和2 854 cm-1兩特征峰為飽和的CH3的伸縮振動(dòng)吸收峰。1 667 cm-1特征峰對應(yīng)的是在CONH上的C==O伸縮振動(dòng)吸收峰,1 618 cm-1特征峰對應(yīng)的是C==C伸縮振動(dòng)吸收峰,與紫外吸收光譜中存在的C==C鍵和C==O鍵電子躍遷峰相吻合。1 447 cm-1特征峰對應(yīng)的是不飽和的CH2伸縮振動(dòng)吸收峰,1 403 cm-1對應(yīng)的是C—N伸縮振動(dòng)吸收峰,說明N原子成功的摻入到石墨烯量子點(diǎn)中,對電子傳導(dǎo)將有促進(jìn)作用[16]。也可進(jìn)一步增強(qiáng)GQDs的光催化性能。
圖1 (a)N-GQDs的TEM照片,(b)為(a)的N-GQDs的粒徑分布圖,(c)為(a)TEM衍射圖Fig.1(a)TEM image of N-doped GQDs,(b)size distribution of N-doped GQDs derived from(a),(c)diffraction pattern from(a)TEM.
圖2?。╝)N-GQDs的FT-IR圖,(b)N-GQDs的XRD衍射圖,(c)N-GQDs的拉曼圖譜Fig.2(a)FT-IR spectrum,(b)XRD pattern and(c)Raman spectrum of N-doped GQDs.
圖2(b)為N-GQDs的XRD衍射圖。在2θ為26.7°處的衍射峰對應(yīng)石墨烯(002)晶面衍射峰[17],證明了所制備的量子點(diǎn)具有石墨烯的晶型結(jié)構(gòu),為石墨烯量子點(diǎn)。根據(jù)布拉格方程,利用石墨烯(002)晶面X射線衍射峰估算出晶面間距是d= 0.336 nm,是石墨烯的(002)面,與TEM結(jié)果吻合。圖2(c)為N-GQDs的拉曼圖譜。從拉曼圖譜中可以看到D峰(C原子結(jié)晶缺陷)在1 349 cm-1處;在1 559 cm-1處出現(xiàn)了G峰(C原子sp2雜化的面內(nèi)伸縮振動(dòng))。ID/IG比值越高,缺陷程度越大,電子容易傳導(dǎo)[18]。制備出來的石墨烯量子點(diǎn)的ID/IG為0.86,表示了石墨烯的缺陷密集程度,對加快NGQDs降解OM的降解速率起促進(jìn)作用。
3.2N-GQDs的光物理性能
圖3為N-GQDs在320~500 nm不同激發(fā)波長下的紫外吸收和熒光光譜。N-GQDs的紫外吸收光譜在228 nm和340 nm處有吸收峰,228 nm處的峰是C==C鍵的π-π電子躍遷,340 nm處對應(yīng)的峰是C==O鍵的n-π電子躍遷。這與用氧化還原法制備出來的石墨烯量子點(diǎn)一致[19]。當(dāng)在365 nm的紫外燈照射下樣品發(fā)藍(lán)光。從樣品的PL光譜中可以看出,發(fā)射波長不隨激發(fā)波長的不同而改變。所制備的N-GQDs的最大激發(fā)波長在365 nm,最大發(fā)射波長在439 nm。在這個(gè)波段發(fā)射藍(lán)光,與石墨烯量子點(diǎn)的尺寸大小相關(guān),也說明制備出來的石墨烯量子點(diǎn)尺寸比較均勻,與TEM的結(jié)果相互佐證。在大于440 nm的激發(fā)波長下,有紅移現(xiàn)象。表明N-GQDs大于440 nm的激發(fā)波長下,帶隙變小,可以吸收更大范圍的波長[20],從而提高了N-GQDs對可見光的吸收率。分析結(jié)果表明:N-GQDs可以吸收特定波長的光子,使得C==C鍵的π-π電子躍遷和C==O鍵的n-π電子躍遷。由于電子的躍遷而產(chǎn)生電子-空穴對,與氧氣和水反應(yīng)生成活性氧,去氧化降解有機(jī)物[21]。從而達(dá)到光催化降解的效果。
圖3 N-GQDs在320~500 nm不同激發(fā)波長下的紫外吸收和熒光光譜Fig.3 The absorption and photoluminscent(PL)spectra of N-doped GQDs under different excitation wavelengths of 320~500 nm.
3.3N-GQDs體外細(xì)胞毒性及光催化活性
圖4為不同樣品濃度下N-GQDs的體外細(xì)胞毒性的測試。N-GQDs隨著樣品濃度的增加,細(xì)胞的活性降低(即死細(xì)胞數(shù)量增加),N-GQDs在濃度12.5 ug/mL時(shí)細(xì)胞活性最低,但細(xì)胞存活率依舊維持在80%以上,在這之后細(xì)胞數(shù)量又會(huì)維持在92.5%以上,說明N-GQDs對細(xì)胞的毒性很弱。從表1可以看出樣品濃度在100 ug/mL時(shí),細(xì)胞數(shù)量有所增加,而且存活率最高。在此濃度下,N-GQDs無毒,而且能夠促進(jìn)細(xì)胞的生長。故光催化降解亞甲基藍(lán)有機(jī)染料采用100 ug/mL濃度的N-GQDs。既可以降解有機(jī)污染物,又對環(huán)境無害。
圖4 不同濃度N-GQDs的細(xì)胞毒性測試Fig.4 The cytotoxicity test with different concentrations of N-doped GQDs.
表1 樣品濃度與細(xì)胞存活率之間的關(guān)系Table 1 The relationship between sample concentration and cell survival rate.
圖5(a)為N-GQDs光催化降解MB的光催化降解速率圖。圖5(b)中黑色方塊曲線為MB本身在可見光下的自然降解速率圖。從圖中可以看出相對于MB本身的自然降解,N-GQDs單獨(dú)作為光催化劑在可見光下降解MB的降解速率明顯加快。在短時(shí)間內(nèi)(120 min)降解率可以達(dá)到82.5%。這與光物理性能分析結(jié)果一致。
圖5 N-GQDs、MB的光催化降解速率Fig.5 The photocatalytic degradation rates of MB for the N-doped GQDs.
采用水熱法制備了尺寸均勻、熒光強(qiáng)度高、發(fā)藍(lán)色熒光的N-GQDs。相對于MB本身的自然降解,GQDs單獨(dú)作為光催化劑在可見光下降解MB的降解速率明顯加快。這是由于GQDs的小尺寸及官能團(tuán)促進(jìn)電子躍遷,N原子的成功摻雜增加GQDs的電子傳導(dǎo)率,促進(jìn)GQDs光致發(fā)光(PL)行為對可見光的吸收率,從而加快其光催化降解速率。
[1]Zhang R,He S,Zhang C,et al.Three-dimensional Fe-and N-incorporated carbon structures as peroxidase mimics for fluorescence detection of hydrogen peroxide and glucose[J].Journal of Materials Chemistry B,2015,3(20):4146-4154.
[2]Sadhukhan M,Barman S.Bottom-up fabrication of two-dimensional carbon nitride and highly sensitive electrochemical sensors for mercuric ions[J].J Mater Chem a,2013,1(8):2752-2756.
[3]Tian J,Liu Q,Asiri A M,et al.Ultrathin graphitic carbon nitride nanosheets:a novel peroxidase mimetic,F(xiàn)e doping-mediated catalytic performance enhancement and application to rapid,highly sensitive optical detection of glucose[J].Nanoscale,2013,5(23):11604-11609.
[4]Denis P A,F(xiàn)accio R,Mombru A W.Is it possible to dope single-walled carbon nanotubes and graphene with sulfur[J].Chem Phys Chem,2009,10(4):715-722.
[5]Zheng F,Wang Z,Chen J,et al.Synthesis of carbon quantum dot-surface modified P25 nanocomposites for photocatalytic degradation of p-nitrophenol and acid violet 43[J].RSC Advances,2014,4(58):30605-30609.
[6]Di J,Xia J,Ji M,et al.The synergistic role of carbon quantum dots for the improved photocatalytic performances of Bi2MoO6[J].Nanoscale,2015.
[7]Saud P S,Pant B,Alam A M,et al.Carbon quantum dots anchored TiO2nanofibers:Effective photocatalyst for waste water treatment[J].Ceramics International,2015,41(9):11953-11959.
[8]Gupta B K,Kedawat G,Agrawal Y,et al.A novel strategy to enhance ultraviolet light driven photocatalysis from graphene quantum dots infilled TiO2nanotube arrays[J].RSC Advances,2015,5(14):10623-10631.
[9]Baker S N,Baker G A.Luminescent carbon nanodots:Emergent nanolights[J].Angewandte Chemie International Edition,2010,49(38):6726-6744.
[10]Li H,He X,Kang Z,et al.Water-soluble fluorescent carbon quantum dots and photocatalyst design[J].Angewandte Chemie International Edition,2010,49(26):4430-4434.
[11]Cao L,Wang X,Meziani M J,et al.Carbon dots for multiphoton bioimaging[J].Journal of the American Chemical Society,2007,129(37):11318-11319.
[12]Hu S L,Niu K Y,Sun J,et al.One-step synthesis of fluorescent carbon nanoparticles by laser irradiation[J].Journal of Materials Chemistry,2009,19(4):484-488.
[13]Li H,He X,Liu Y,et al.One-step ultrasonic synthesis of water-soluble carbon nanoparticles with excellent photoluminescent properties[J].Carbon,2011,49(2):605-609.
[14]Shen J,Zhu Y,Chen C,et al.Facile preparation and upconversion luminescence of graphene quantum dots[J].Chem Commun,2011,47(9):2580-2582.
[15]Yan X,Cui X,Li L S,Synthesis of large,stable colloidal graphene quantum dots with tunable size[J].Journal of the American Chemical Society,2010,132(17):5944-5945.
[16]Li Y,Zhao Y,Cheng H,et al.Nitrogen-doped graphene quantum dots with oxygen-rich functional groups[J].Journal of the American Chemical Society,2011,134(1):15-18.
[17]Fu M,Jiao Q,Zhao Y.Preparation of NiFe2O4nanorod-graphene composites via an ionic liquid assisted one-step hydrothermal approach and their microwave absorbing properties [J].Journal of Materials Chemistry A,2013,1(18):5577-5586.
[18]Bai X,Wang L,Zong R,et al.Performance enhancement of ZnO photocatalyst via synergic effect of surface oxygen defect and graphene hybridization[J].Langmuir,2013,29(9):3097-3105.
[19]Tang L,Ji R,Cao X,et al.Deep ultraviolet photoluminescence of water-soluble self-passivated graphene quantum dots [J].ACS nano,2012,6(6):5102-5110.
[20]Tang L,Ji R,Li X,et al.Deep ultraviolet to near-infrared emission and photoresponse in layered N-doped graphene quantum dots[J].ACS nano,2014,8(6):6312-6320.
[21]Wahyuningsih S,Purnawan C,Kartikasari P A,et al.Visible light photoelectrocatalytic degradation of rhodamine B using a dye-sensitised TiO2electrode[J].Chemical Papers,2014,68(9):1248-1256.
Preparation of N-doped graphene quantum dots and their photocatalytic degradation activity for methylene blue
LI Dong-hui,F(xiàn)AN Jie-xin,WANG Xiao-min
(College of Materical Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China)
Nitrogen-doped graphene quantum dots(N-GQDs)were synthesized by the hydrothermal method,using citric acid and urea as the carbon and nitrogen sources,respectively.X-ray diffraction,Raman spectroscopy,transmission electron microscopy,fluorescence spectroscopy and UV-visible absorption spectroscopy were used to characterize their microstructure and photophysical properties.The cytotoxicity of the N-GQDs was tested using 3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2-H-tetrazolium bromide.The photocatalytic degradation activity for methylene blue(MB)was investigated under visible light.Results show that the N-GQDs have a narrow size distribution,a high fluorescence and a low cytotoxicity.Photocatalytic degradation rate of the N-GQDs for MB reaches 82.5%under visible light irradiation for 120 min.
Nitrogen doped graphene quantum dots(N-GQDs);Fluorescent property;Photocatalytic degradation;Microstructure
National Natural Science Foundation of China(51172152,51242007,51572184).
WANG Xiao-min,Professor.E-mail:wangxiaomin@tyut.edu.cn
introduction:LI Dong-hui,Master Student.E-mail:15735160971@163.com
TQ127.1+1
A
2015-11-03;
2015-12-10
國家自然科學(xué)基金(51172152,51242007,51572184).
王曉敏,教授.E-mail:wangxiaomin@tyut.edu.cn
作者介紹:李冬輝,碩士研究生.E-mail:15735160971@163.com
1007-8827(2015)06-0545-05