Hydrothermale synthese van blauw- en groen-emitterende koolstofkwantumpunten uit tofu-afvalwater

Samenvatting

We rapporteren een eenvoudige hydrothermale methode voor het produceren van fluorescerende koolstofkwantumpunten (CQDs) uit tofu-productie afvalwater. Twee CQD-varianten werden verkregen: CQDs-1, gesynthetiseerd in gedemineraliseerd water, emitteren blauwe fluorescentie onder UV-licht, terwijl CQDs-2, bereid in een NaOH-oplossing, groen licht emitteren. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) onthult dat het cruciale verschil ligt in de oppervlaktechemie—CQDs-1 bevatten hogere concentraties C–O en C=O groepen, terwijl CQDs-2 verrijkt zijn in carboxylfunctionaliteiten door NaOH-behandeling. Fotoluminescentie (PL) studies bevestigen de afzonderlijke emissiekleuren en bieden inzicht in de rol van oppervlaktestaten. Met een kwantumopbrengst van 54,49% voor CQDs-1, toont deze benadering een duurzame route naar hoog-presterende CQDs terwijl een veelvoorkomende voedingsverwerkingsafvalstroom gewaardeerd wordt.

Achtergrond

Tofu, een basis in de Aziatische keuken, wordt nu op industriële schaal geproduceerd, wat grote volumes afvalwater genereert rijk in sojaboon geel serofluïd. Deze effluent, bevattende koolhydraten, eiwitten, organische zuren en pigmenten, vormt milieuitdagingen maar vertegenwoordigt ook een waardevolle koolstofbron voor nanomateriaal synthese. Koolstofkwantumpunten (CQDs) zijn sub-20 nm koolstofnanodeeltjes die uitstekende wateroplosbaarheid, chemische inertie, lage toxiciteit en biocompatibiliteit combineren met halfgeleider-achtige elektronische structuren, wat ze aantrekkelijk maakt voor optische en biomedische toepassingen. Conventionele CQD-synthese steunt op top-down of bottom-up strategieën met diverse voorlopers; recent werk heeft biomassa (bijv. tarwe stro, sinaasappelsap) als duurzame koolstofvoeders benadrukt. Onze studie past de hydrothermale route—bekend om zijn eenvoud en schaalbaarheid—aan om tofu-afvalwater om te zetten in CQDs, wat een dubbele winst van afvalreductie en nanomateriaalproductie mogelijk maakt.

Methoden

Afvalwater werd verzameld van het Tofu Industriepark, Shi Ping County, Yunnan, China. Het protocol omvatte: (i) pyrolyseren van 300 mL geel serofluïd bij ~93 °C gedurende 3–5 uur tot een droog residu vormde; (ii) afkoelen tot kamertemperatuur en toevoegen van 50–200 mL gedemineraliseerd water (voor CQDs-1) of 100 mL NaOH-oplossing (pH ≈ 12,4) (voor CQDs-2); (iii) 4 minuten roeren gevolgd door 5 minuten ultrasonificatie; (iv) centrifugeren bij 12.000 toer/min gedurende 20 min om de CQD-bevatte supernatant te isoleren. Variaties in temperatuur, tijd en pH werden gebruikt om de optische eigenschappen van de CQDs af te stellen. CQDs-1 lijken geel aan het blote oog maar fluorescenteren blauw onder UV, terwijl CQDs-2 groen fluorescenteren.

Resultaten en Discussie

Morfologie en Grootte. Hoog-resolutie TEM-beelden (Figuur 1) tonen aan dat beide CQD-varianten monodisperse, sferische nanopartikels zijn met diameters variërend van 2–10 nm; de gemiddelde grootte is 3,5–5,5 nm en een roosterafstand van ~0,21–0,22 nm bevestigt grafitiske ordening.

Oppervlaktechemie. Volledige-scan XPS-spectra (Figuur 2) bevestigen de aanwezigheid van C, N, O en geringere S, P (CQDs-1) of Na, Cl (CQDs-2). Hoog-resolutie C 1s spectra (Figuur 3) onthullen dat CQDs-1 C–C/C=C (284,7 eV), C–O (286,1 eV) en C=O (287,9 eV) bindingen bevatten, terwijl CQDs-2 een extra COOH-piek (289,1 eV) tonen. De verminderde C–O/C=O inhoud in CQDs-2 resulteert uit hydroxided-gemedieerde oppervlaktepassivering, wat de emissie naar langere golflengtes verschuift.

Fotoluminescentie. PL-spectra (Figuur 4) tonen aan dat CQDs-1 helder blauw licht emitteren met maximum intensiteit bij ~410 nm excitatie, terwijl CQDs-2 groen licht emitteren, piekend bij ~480 nm excitatie. Het emissiepiek verschuift naar langere golflengtes met toenemende excitatiegolflengte, wat aangeeft dat oppervlaktestaten, in plaats van grootte-afhankelijke kwantuminsluiting, de PL-gedrag domineren. De hogere stikstofinhoud (8,5% vs 6,8%) in CQDs-1 versterkt radiatieve recombinatie door additionele oppervlaktestaten, wat de superieure kwantumopbrengst (54,49%) ten opzichte van CQDs-2 verklaart.

Emissiemechanisme. De data ondersteunen een oppervlaktestaat-gemedieerd recombinatiemodel: gefoto-exciteerde elektronen relaxeren niet-radiatief in oppervlaktestaten (C–O, C=O, COOH) en recombineren vervolgens radiatief met gaten in de valentieband. De aanwezigheid van twee verschillende oppervlaktestaten in CQDs-1 verklaart het bredere, dubbele-piek PL-spectrum, terwijl de enkele COOH-gedomineerde staat in CQDs-2 een narrower, groene emissie oplevert.

Conclusies

Deze studie toont aan dat tofu-afvalwater, een gemakkelijk beschikbare en milieuproblematische bijproduct, gewaardeerd kan worden tot hoogwaardige CQDs via een eenvoudig hydrothermaal proces. De resulterende blauw- en groen-emitterende CQDs vertonen afstelbare fotoluminescentie geregeld door oppervlaktechemie, met een kwantumopbrengst boven 50% voor de blauwe variant. De benadering biedt een duurzame, lage-kost route voor grootschalige CQD-productie, potentieel de toepassingen in bio-imaging, sensing en opto-elektronica bevorderend. Toekomstig werk zal zich richten op het uitbreiden van het emissiespectrum naar het rode gebied door verdere afstelling van oppervlaktefunctionaliserings.