碳基“环”量子点及其掺杂型荧光探针的构建与重金属离子痕量检测研究

Carbon nanoring quantum dots (CRQDs), a new class of carbonaceous quantum dots with annular quasi-zero dimensional structure, is featured by the unique structure which endows them many physicochemical properties not only inherited from carbon nanotubes but also distinguished from “laminar” graphene quantum dots and “granular” carbon quantum dots. Although the latter two classes have been widely studied and applied in the environment monitoring field, the application of carbon nanorings as fluorescent probes is rarely reported. In this project, we propose a top-down ultrasonic oxidation-cut route to prepare CRQDs from carbon nanotubes. CRQDs with different outer diameters, layers and axial lengths are doped with heteroatoms to construct fluorescent probes for the trace detection of several typical heavy metal ions in ecological environment. The fabrication of CRQDs and heteroatom-doped CRQDs will be summarized by studying the optimum process parameters, and the fluorescence properties will be investigated. Furthermore, the first-principles method will be used to demonstrate the effect mechanism of morphological structure and heteroatoms on fluorescent properties at the atomic level and to deeply investigate the selective specificity of CRQDs probes toward heavy metal ions. Based on the above-mentioned research, this project would explore the application prospect of CRQDs in trace analysis and provide pragmatic technical approach and valuable data for the development of carbon nanomaterials and fluorescent probes.

碳纳米“环”量子点是一种新型环状准零维结构碳基量子点，其特殊结构带来了许多源于碳纳米管且区别于“片”（石墨烯）量子点和“颗粒”（碳）量子点的物理化学性能。后两者在生态环境监测领域中已被人们广泛地研究和应用，而将碳纳米环转化为荧光探针的研究却鲜有报道。本项目拟以单壁、双壁和多壁碳纳米管为原料，采用“自上而下”的强氧化-声化学切割法制备系列外径、层数和轴向长度不同的碳基“环”量子点，掺杂异质原子，构建荧光探针，研究环境中几种典型重金属离子的痕量检测性能。通过最优工艺参数的探索，揭示“环”量子点及其异质原子掺杂的制备规律，探明发光规律。利用第一性原理方法，从微观原子层面阐明形态结构和异质原子对荧光特性的影响机制，研究荧光探针与重金属离子的选择特异性作用机理，探索碳基“环”量子点痕量检测的应用前景指数，为碳纳米材料和荧光探针的发展提供可靠的技术依据和数据积累。

碳材料具有优异的物理化学性质，充分利用其结构与性能优势，成为了电化学领域需要思考的一个重要问题。本项目主要是利用碳纳米管、石墨烯和Mxene优异的物理化学性质，系统研究了碳纳米管的声化学切割工艺，纳米带形成的撕裂行为，以及复合材料的相结构演变，探究了所制备材料的物理化学特性及其对重金属离子检测和电化学性能的影响，设计了一种自还原取代电沉积的新方法，揭示了所制备材料的形貌结构与传感检测性能的内在联系，阐明了其对重金属离子的检测活性；利用水热环境的还原性，经高温结构相变，构建出多种石墨烯复合金属氧化物的纳米材料，获得了优异的电化学性能。在项目的执行过程中，进一步探究了有机胺配体与金属酸根离子之间的螯合作用，合成出多种具有周期性结构的含氮杂化材料。利用杂化材料在碳化过程中易形成富含孔隙率且形貌结构多样的原位复合材料，以及在硫化、硒化和氮化方面较强的可塑性和可控性，制备出系列具有异质结构的碳纳米复合材料。明确了各组分间的协同效应和界面间的自建电场，以及自建电场对电荷传递和反应动力学的影响规律。同时还探明了高晶相金属氧化物基底和水热条件控制是实现表面硫化、硒化和创造部分硫化、硒化的关键，系统研究了表面硫化、硒化和异质界面等对电化学储能性能的作用机制。本项目的实施能为复合材料在电化学方面提供技术依据和数据积累，在新能源领域展现潜在的应用前景。