杂化骨架硼酸盐的设计合成、结构调控和热解制备纳米碳点研究

Hybrid borates with open inorganic framework structures and orderly arranged organic components are the ideal templates of preparing nanoscale carbon dots. Hitherto, there is no report on this subject. This project is focused on design synthesis, structure modification of hybrid framework borate and exploring its applications on making carbon dots. In this project, by means of inhibiting the saturated coordination reactions between metal and organic components, we firstly obtain hybrid framework borates constructed from metal-organic groups and boron-oxygen clusters. And then, we utilize the substitution reaction of metal elements or adjust the pH of reaction system to realize the structural control of borates, and further obtain organic-inorganic hybrid framework borates. Moreover, the hybrid borates with pore structures will be selected and annealed as templates to prepare the carbon dots, and explore the effects of the decomposition temperature and time on the surface structures and photoluminescence properties of carbon dots. The relations between carbon dot’s surfaces and their properties of UV and PL will be established based on the careful analysis of characterizations and literature investigation. This project provides the feasible research routes for not only discovering novel hybrid framework borates, but also preparing carbon dot materials with excellent properties. Therefore, this project has important scientific significance and research value.

杂化骨架硼酸盐具有空旷的无机骨架和有序排列的有机组分，是制备纳米碳点的理想模板，但迄今为止还没有人对此进行研究。本项目以杂化骨架硼酸盐的设计合成、结构调控和热解制备性能优异的碳点材料为主要研究内容。拟在溶剂热条件下抑制过渡金属与有机胺的饱和配位，获得金属-有机基团与硼氧簇作为结构单元的杂化骨架硼酸盐，通过置换金属元素或调节pH值实现对硼酸盐的结构调控，获得系列有机-无机杂化骨架硼酸盐；然后以杂化骨架硼酸盐为模板热解制备纳米碳点，并对其表面结构和荧光等性质进行分析表征，考察热解温度和时间对碳点表面结构和紫外、荧光等性质影响，揭示碳点表面结构变化与紫外、荧光等性质之间的关系，为发现性质优异的碳点材料提供了实验依据。本项目的完成为发现结构新颖的杂化骨架硼酸盐和性质优异的碳点材料，均提供了科学可行的研究途径，因此具有重要的科学意义和研究价值。

硼属于亲氧元素，与氧结合，形成硼氧簇基聚合物，这些簇基聚合物晶态材料具有丰富的结构，重要的物理-化学性能，使其在磁、相、光、电、催化等诸多领域有着科研价值和商业化应用。本课题组在硼氧簇基聚合物晶态材料料领域已经进行了深入地探索，并取得了系列进展，这为氧簇基硼酸盐功能化应用提供了基础。我们在实验工作中的发现点，顺利的完成了本项目执行计划，具体工作，如下：.1、在此项目执行期间合成系列硼酸盐（包括无机硼酸盐及杂化硼酸盐）,并完成单晶X-射线衍射等表征测试工作。.2、完成了利用调节溶液pH值和温度调控硼酸盐结构。成功地获得系列聚阴离子调控的硼酸盐。.3、完成了改变金属组分调控结构。利用更换金属离子调控结构获得了同构型系列硼酸盐。.4、完成了基于杂化硼酸盐的碳点制备。研究发现随着煅烧温度升高，碳点最外层碳原子相连的基团在慢慢脱去，有碳自由基生成。荧光表征证明煅烧温度对生成的碳点的荧光性质有影响。pH/金属离子对碳点的荧光性的增强作用。.5、基于杂化硼酸盐的探索性和创新性研究。利用杂化硼酸盐制备了碳材料，发展了一种新型主-客体协同保护策略构筑了一系列碳点材料催化剂运用于电催化CO2还原。通过电催化CO2还原实验研究了碳点的不同制备温度对其性能研究的影响，通过一系列表征和理论计算解释了碳点催化剂中的晶体环境是如何调控电催化CO2还原性能。此外，该反应合成策略能推广到基于杂化材料的碳点制备和CO2催化还原研究，对硼酸盐的高值化利用具有非常重要的意义。.6、发展了低温熔融法合成硼酸盐。利用部分无机盐低熔点的特性，结合水热合成简单快捷高效优点，在反应釜中进行低温熔融反应，无机盐同时作为溶剂和反应物参与合成反应；在该方法的帮助下，获得了系列过渡金属硼酸盐晶体。探索了杂化硼酸盐在变温条件下的荧光性质，将合成的孤立结构硼酸锌添加到ABS树脂中，对它的阻燃性能进行了研究。.7、在此项目的支持下，探索了白光量子点的合成与研究，制备了共掺杂白光Q-LED。