摘要
碳量子点（CDs）作为一种直径小于10nm的荧光纳米材料，其具备独特的物理化学和光学性能。同时，其无毒以及生物相容性好等特点，使其在生物、能源、医学和农业等方面有着广泛的应用和发展空间。目前，许多研究者利用掺杂来改善碳量子点的光学性能和电子性能，并对其进行功能化，但仍存在一些瓶颈问题：1）碳量子点的荧光强度较低，无法满足实际应用；2）CDs的产量较低，高性能CDs的规模化制备仍是一个挑战；3）碳量子点的应用大多局限于光学和医学领域，需要开发新的应用来解决现有应用中的瓶颈问题。 本文以金属离子掺杂碳量子点的制备为导向，以金属氯化盐为掺杂剂或金属柠檬酸盐为前驱体，以化学工程的理论与方法为指导，成功实现了金属离子掺杂碳量子点的制备。采用溶剂热法制备了金属离子掺杂CDs，研究了其制备条件与性质之间的关系；利用磁热技术，实现了金属离子掺杂碳量子点的规模化制备，并探讨了金属离子掺杂碳量子点在LED照明、聚合物增强、3D打印领域的应用。本论文具体开展如下工作： (1)通过一步溶剂热法，采用金属氯化盐为掺杂剂，成功制备出量子产率为93.43%的镁离子掺杂碳量子点（Mg-CDs）。与未掺杂金属离子的碳量子点相比，其量子产率提高了22.68%。探究了其性质与制备条件之间的关系，研究了Mg-CDs的微观形貌、结构和光学性质。同时，其具备优异的光稳定性，在100min的紫外线照射下仍然保持了95%的荧光强度，较未掺杂碳量子点提升了约5%。将其与酚醛环氧树脂E51混合封装后制备了蓝色发光LED，为高荧光强度的碳量子点的制备及其应用提供了新思路。 (2)以解决金属离子掺杂碳量子点的规模化制备为目标，采用柠檬酸镁与尿素为前驱体，通过磁热法制备了磁热诱导的镁离子掺杂碳量子点（Mg-MICDs）。探讨了其制备条件与荧光性质之间的关系。研究了Mg-MICDs在最佳制备条件下的形貌、结构特点与光学性质。基于静电纺丝技术制备了Mg-MICDs/PBAT纳米纤维膜，探讨了纤维膜的微观结构与机械强度。其拉伸强度和断裂伸长率分别为纯PBAT纳米纤维膜的2.03倍和4.94倍，为金属离子掺杂碳量子点的大规模制备及其在聚合物增强方面的应用提供了基础。 (3)采用磁热法制备了锌离子掺杂碳量子点（Zn-CDs），并利用双螺杆挤出实现了高强度和高韧性Zn-CDs/PBAT复合材料的制备。其拉伸强度和断裂伸长率分别达到了32.01MPa和1302.37%，与纯PBAT相比分别提升了23.03%和46.59%，并研究了其增强可能的机理。研究了其在高温下的粘度以及导热性，并使用工业级颗粒3D打印机将复合材料打印成型，Zn-CDs使打印产品的层间作用力提升了44.6%，为金属离子掺杂碳量子点在3D打印方向的应用提供了基础。
NETL