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基于绿色化学理念的纳米硫化镉的合成及应用

王玲玲  
【摘要】:硫化镉是一种重要的II-VI族半导体材料,具有良好的光电学性能,近年来受到日益广泛的关注,并在诸多领域表现出潜在的应用前景。例如纳米硫化镉能够用于太阳能电池、光催化降解有机污染废水、与铬结合作为中红外激光器材料等,特别是硫化镉量子点,由于具有较好的光致发光性能,在生物医学和化学分析领域有广泛的应用。然而,目前硫化镉纳米材料的合成大多是在高温高压的苛刻条件下进行,而且通常需要使用有毒的有机溶剂。本文基于绿色合成的理念,力求探索简单易行、条件温和、环境友好的硫化镉纳米材料的合成方法。本论文的特点有三个方面,其一,添加剂主要选用环境友好且具有良好生物相容性的生物小分子氨基酸,不使用具有毒性的含巯基有机添加剂;其二,溶剂选用绿色环保的水做介质,而非常用的有毒有机溶剂;其三,合成条件相对温和,反应时间较短,与目前的高温高压条件相比,本研究所用合成条件更节能。 本论文的主要研究内容如下: (1)水溶液中,温和条件下,以胱氨酸为基质可控合成了由纳米片组成的具有分级结构的硫化镉微米球。晶体结构和形貌分析结果表明,合成的硫化镉是方硫矿晶型,微米球直径在4-8μm,纳米片厚度为60-80 nm;光学性质测定表明,合成的硫化镉在200-500nm有较强的紫外吸收,在528nm处有强的荧光吸收峰。此外,本论文还研究了具有分级结构硫化镉微米球的形成机理。 (2)根据α-氨基酸中R基的极性和结构的不同,将20种常见的氨基酸分为五类。本实验在每一类中选取两种氨基酸作为基质。水溶液中一锅法合成了硫化镉量子点。通过对产物硫化镉的粒径和晶型分析,发现该方法合成的硫化镉都是立方相晶型。近一步研究表明氨基酸杂化合成的硫化镉粒径分布规律是:有芳香环、咪唑环和双羧基结构的氨基酸所参与合成的硫化镉量子点粒径较小且分散性好。产物的红外光谱分析结果表明,氨基酸中的羧基在产物硫化镉的形成过程中起到了与镉离子配位的重要作用。目标产物的紫外和荧光光谱分析结果显示,紫外光谱的吸收强度顺序为:Glu-CdS Trp-CdS Arg-CdS Thr-CdS Val-CdS His-CdS Phy-CdS Pro-CdS Met-CdS Asp-CdS;荧光光谱的强度顺序为:Arg-CdS≥Pro-CdS Met-CdS Thr-CdS≥Val-CdS His-CdS Phe-CdS Glu-CdS Asp-CdS Trp-CdS。两者强度顺序没有必然的联系,而量子点的荧光光谱强度显示出明显的粒径依赖性,即量子点的粒径越小,其荧光强度越强。 (3)本论文以有机染料罗丹明B作为模型污染物,研究了它们在光催化降解方面的潜在应用,并根据催化效率分为两组:第一组是高活性组,包括Trp、Glu、His、Asp和Phe这五类氨基酸制备的CdS QDs;第二组是低活性组,包括Pro、Thr、Val、Arg和Met在内的五种氨基酸制备的CdS QDs。光催化循环实验结果显示,十种量子点在循环进行光催化降解5次后,其光催化降解效率未发生明显的降低,表明合成的量子点具有良好的循环稳定性。可见光生羟基自由基检测结果显示,所制备的十种CdS QDs的光生羟基自由基能力明显不同,并表现出与QDs光催化降解效率显著的相关性,即光生羟基自由基能力越强,量子点的光催化降解效率越高。此外,羟基自由基捕获剂的加入会显著降低量子点的光催化降解效率,表明所合成的量子点主要通过可见光照射下羟基自由基的产生进行有机染料的光催化降解,显示了它们在有机水污染处理方面的潜在应用前景。 (4)细胞生物学研究结果显示,所合成的CdS QDs除Arg合成的量子点外,均显示出良好的生物相容性,表明所合成的CdS QDs未来有可能做为生物体荧光标记物应用于生物医学领域。


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