◆北京市第三十五中學 周嫣然 李依晨 李笑然 朱子寒 杜春燕

本期點評專家

張永強中學高級教師，湖南省十佳科技教師?？破罩袊?021年十大科普人物獎獲得者，全國校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設計大賽、湖南省科學調查體驗活動評審專家組成員。

量子點是一種新型納米級半導體材料，通常為直徑在2～20 nm的球形或類球形結構，在外加電場或紫外光照射下會發(fā)出特定的熒光，又被稱為“熒光量子點”。量子點一般從鉛、鎘和硅的混合物中提取，普遍有毒，對環(huán)境也有很大的危害。碳量子點僅由碳原子組成，對環(huán)境友好、低毒，成為顯示和照明技術發(fā)展的潛在候選者。

因此，探究穩(wěn)定廉價碳量子點的制備及其熒光范圍至關重要，也是目前研究的熱點問題。生物質材料易獲取且環(huán)保，由其制備的碳量子點水溶性好，可解決量子點的低毒等問題?；诖耍覀儧Q定在學校的科技實驗課上進行實驗。本項實驗中，我們將采用熱解反應，從榴蓮殼等多種生物質碳化粉末中提取碳量子點，并初步探究不同的材料及不同酸堿性的溶劑對所得碳量子點性質的影響。

一、實驗原理

本次實驗使用“自下而上”合成法，將生物質材料完全碳化，形成原子級別的碳原子，再用不同溶劑的溶液提取碳量子點。

二、實驗步驟

（一）制備碳量子點溶膠

將果殼、果皮、果肉等洗凈后切成長度不超過3 cm的塊狀，添加少量花生（或不添加）后均勻地置于托盤上，再放入烘箱，在230 ℃環(huán)境下烘烤1小時直至其完全碳化后放入研缽，將其研磨成粉末。

分別取20 mL的去離子水、質量分數分別為5%、10%和15%的CH3COOH溶液以及物質的量濃度為0.1 M、0.5 M和1.0 M的NaOH溶液倒入試管，再取0.3 g碳化粉末倒入試管，將試管口密封后用超聲波清洗儀振蕩5分鐘，取出并靜置2 小時。用濾紙將試管里的溶液過濾至燒杯中，得到碳量子點溶膠，如圖1所示。

圖1 5%的CH3COOH溶液提取的5種碳量子點的熒光圖片（從左到右碳源依次為橘皮、榴蓮殼、榴蓮殼加花生、椰殼、椰肉）

（二）碳量子點溶膠的表征

將待測溶膠放入紫外可見分光光度計，選定測量波長200～700 nm，測量紫外可見吸收光譜。將待測溶膠放入熒光光譜儀，設定激發(fā)波長360 nm，其他條件保持不變，測定待測溶膠的熒光波長和熒光強度。將待測溶膠放入納米粒度儀，采集數據5分鐘，測量平均粒徑和粒徑分布。

三、實驗過程與討論

（一）基于橘皮制備的碳量子點（O-CQDs）的性質

將不同溶劑提取的橘皮碳量子點O-CQDs置于紫外光下照射，發(fā)現其均具有一定的熒光，但熒光強度各不相同，5%CH3COOH溶液提取的O-CQDs熒光強度最大。

進一步對其進行粒徑和紫外吸收光譜的測試發(fā)現，所有O-CQDs的平均粒徑均小于10 nm，且紫外吸收光譜在200～300 nm范圍內表現出較強的碳量子點的特征，可以確認其屬于碳量子點。

（二）基于榴蓮殼制備的碳量子點（D-CQDs）的性質

我們將榴蓮殼碳源拆分為兩組，在榴蓮殼碳化的基礎上添加花生，制作一組含氮榴蓮殼碳量子點（D&PCQDs），以探究花生中蛋白質所含氮雜原子的增加對所得碳量子點的影響。

圖2 不同濃度的CH3COOH溶液及去離子水提取的O-CQDs的熒光強度 （截圖）

圖3 不同溶液提取的O-CQDs的紫外可見吸收光譜（截圖）

熒光測試結果表明，榴蓮殼與橘皮的熒光強度規(guī)律相似，濃度越低的CH3COOH溶液充當溶劑制備的碳量子點的熒光強度越高。稀釋后的NaOH組遠低于去離子水制備的碳量子點的熒光強度。在制備榴蓮殼碳量子點的過程中加入花生后，所得碳量子點D&PCQDs的熒光強度遠高于單獨的榴蓮殼組別。

圖4 不同濃度的CH3COOH溶液提取的碳量子點D&PCQDs的熒光強度（截圖）

我們對比兩組的實驗數據發(fā)現，由榴蓮殼制備的碳量子點熒光強度均高于橘皮組的熒光強度。經分析，該組數值偏高的原因主要在于，榴蓮殼含糖量高達13%，橘皮含糖量低于榴蓮殼的，僅有6.01%。不同溶液提取的D-CQDs的平均粒徑仍小于10 nm，確定其屬于碳量子點。

鑒于實驗中NaOH組的熒光強度普遍低于去離子水組的，我們僅保留一組0.1 M NaOH溶液作為參考。

（三）基于椰殼制備的碳量子點（C-CQDs）的性質

我們分析利用不同溶液提取的椰殼碳量子點C-CQDs的粒徑發(fā)現，NaOH溶液提取的溶膠平均粒徑超過10 nm，不符合碳量子點的表征。結合其在200～300 nm的紫外可見吸收光譜發(fā)現，吸光度明顯低于其他組的，因此，我們判斷NaOH組無法制備出椰殼碳量子點。

CH3COOH濃度對C-CQDs熒光強度的影響規(guī)律與前述相同，CH3COOH質量分數為5%所得的C-CQDs的熒光強度最大，但相比基于榴蓮殼制備的碳量子點D-CQDs仍然過低。

（四）基于椰肉制備的碳量子點的性質

為了研究材料成分和結構對所得碳量子點性質的影響，我們還制備了基于椰肉的碳量子點。在不同提取液樣品的紫外吸收光譜中，發(fā)現椰肉組樣品的吸收峰與其他樣品的不一致，其在200～300 nm處具有兩個不同于納米材料平滑峰的尖峰。

查閱文獻后我們了解到，椰肉中含有脂肪，脂肪氧化生成脂肪酸。我們認為波峰的差異在于該組原材料并未完全碳化，椰肉中有油脂殘存，這部分油脂混雜在制備的碳量子點內，使吸光度發(fā)生改變。

圖5 不同溶液提取的椰肉碳量子點的紫外可見吸收光譜（截圖）

進一步分析所得樣品的粒徑發(fā)現，NaOH組提取的樣品粒徑遠超過10 nm，不符合碳量子點的概念，因此再次確定NaOH溶液無法提取得到碳量子點。

椰肉組碳量子點的熒光測試結果表明，椰肉碳量子點的熒光強度規(guī)律與其他果皮的明顯不符，重復實驗后發(fā)現該組數據并未出現錯誤。在溶液pH值小于7時，CH3COOH濃度越高，其對應的碳量子點的熒光強度越大。

查閱文獻后我們了解到，含有飽和脂肪酸的棕櫚油能吸收293 nm和309 nm的紫外光并向外發(fā)射熒光，327 nm時的熒光強度隨體積分數的增大而增大。飽和脂肪酸與CH3COOH相似相溶，隨著CH3COOH的濃度增大，溶于CH3COOH溶液的飽和脂肪酸增加，故熒光強度增大。

四、研究結論

（一）實驗探究了碳源對所得碳量子點的性質的影響，利用常見的橘皮、榴蓮殼、椰殼、椰肉等生物質材料，通過高溫加熱、研磨、過濾的方法成功制備出碳量子點。

（二）在榴蓮殼中加入少許花生，改變碳源的含氮濃度，發(fā)現該實驗組的熒光強度最大，其納米材料的特征吸收峰也很明顯，證明改變碳源種類會影響碳量子點的熒光強度、吸光度以及粒徑等性質。

（三）實驗同時探究了提取液的濃度對碳量子點性質的影響，采用去離子水、不同濃度的CH3COOH溶液和NaOH溶液制備碳量子點，結果表明5%的CH3COOH溶液提取出的碳量子點的熒光性質最強。椰肉中殘留的飽和脂肪酸會影響所得碳量子點的熒光性質。

五、實驗感想

利用生物質材料經過簡單加工就能得到神秘的納米材料，這和我們想象的完全不一樣。建議大家將廢棄的果殼、果皮、果肉等集中存放，交由專業(yè)機構再次利用，助力資源回收。

此次實驗圍繞納米材料展開，將納米材料制備與我們身邊的常見食品及資源回收利用問題結合，拓展了我們的思維，提升了我們的實踐創(chuàng)新能力。同時，我們還學會了如何設計多變量實驗，如何對實驗結果進行統(tǒng)計、分析和對比。

專家點評

該項目具有如下優(yōu)點：1.既有良好的出發(fā)點又有完善的科學理論支撐，文章整體思路清晰，結構緊密；2.作者進行了全面、大量的實驗，對基于榴蓮殼等生物質材料為碳源的碳量子點的制備，從生產原料到制備質量等多個方面進行了廣泛評估；3.作者對實驗結論的討論嚴謹，詳細描述，解釋了實驗結果，具備相應的理論依據，使實驗結果有力地反映了最后的結論；4.文章各部分相互印證，提高了文章整體的可信度。將納米材料制備與常見食品及資源回收利用問題結合，實驗設計全面且合理，研究內容有趣且富有意義。

提出如下建議：1.“分別取20 mL的去離子水、質量分數分別為5%、10%和15%的CH3COOH溶液以及物質的量濃度為0.1 M、0.5 M和1.0 M的NaOH溶液”，建議統(tǒng)一溶液的單位，如都用摩爾濃度表示，或都用質量百分數表示；2.文中“進一步對其進行粒徑和紫外吸收光譜的測試發(fā)現，所有O-CQDs的平均粒徑均小于10 nm”，僅借助家用廚具設備進行研磨，達到10 nm的可能性有待進一步確認。