Veelkleurige emitterende N-gedoteerde koolstofstippen afgeleid van ascorbinezuur en fenyleendiamine-precursoren

Resultaten en discussie

Karakterisering van de As-Synthesized CD's

De morfologie en grootte van de Ax -CD's (x = m , o , en p ) werden geanalyseerd op basis van TEM-afbeeldingen. Figuren 2, 3 en 4 laten zien dat de gemiddelde diameters van Am -CD's, Ao -CD's en Ap -CD's waren respectievelijk 3,39 nm, 3,65 nm en 4,45 nm. De interplanaire afstanden van Ax -CD's waren respectievelijk 0,23 nm, 0,21 nm en 0,35 nm geanalyseerd op basis van HR-TEM-beelden, die overeenkomen met de (100) en (002) vlakken van grafietkoolstof [11].

een TEM-afbeeldingen van Am -CD's, b de histogrammen van de deeltjesgrootteverdeling, en c HR-TEM-beelden

een TEM-afbeeldingen van Ao -CD's, b de histogrammen van de deeltjesgrootteverdeling, en c HR-TEM-beelden

een TEM-afbeeldingen van Ap -CD's, b de histogrammen van de deeltjesgrootteverdeling, en c HR-TEM-beelden

De kristalstructuren van de Ax -CD's werden onderzocht door XRD. Afbeelding 5a laat zien dat de drie cd's een brede enkele diffractiepiek hebben rond de 2θ = 21°–23°, die afkomstig is van de grafiet-koolstofstructuur [3, 12].

een XRD-patronen, en b FTIR-spectra van Ax -CD's

De chemische bindingen en functionele oppervlaktegroepen van Ax -CD's werden geanalyseerd met FT-IR-spectra. Afbeelding 5b toont de pieken bij  ~ 3460 en  ~ 3313–3353 cm ⁻¹ dat kan worden toegeschreven aan de strekkende trillingen van respectievelijk O-H en N-H. De aanwezigheid van hydrofiele groepen kan de oplosbaarheid van CD's in polair oplosmiddel verbeteren door de vorming van waterstofbindingen [13, 14]. De pieken bij ~ 1070, ~ 2877 en ~ 2964 cm ⁻¹ kunnen worden toegeschreven aan de strektrillingen van C–H [8]. De sterke piek waargenomen bij  ~ 1633 cm ⁻¹ kan worden toegeschreven aan de rektrilling van de C=O-binding in de amidegroep, wat de amideringsreactie tussen de carbonzuren van AA en aminen van PDA's bevestigt [15]. De pieken die verschijnen op ~ 1520 cm ⁻¹ kan ontstaan ​​door de buigtrilling van C=C [16]. Bovendien zijn de pieken waargenomen bij  ~ 1361 cm ⁻¹ kan worden toegeschreven aan de rektrilling van C-N, wat de aanwezigheid van een stikstofatoom in de gesynthetiseerde cd's bevestigt [10]. De bijna identiteit van de FT-IR-spectra van alle drie de cd's duidt op de aanwezigheid van vergelijkbare chemische bindingen en functionele groepen op de cd's, ongeacht de positie van de aminegroep in PDA-isomerensoorten.

XPS werd gebruikt om de elementaire samenstelling en functionele groepen van de Ax . te analyseren -CD's. Afbeelding 6a toont het XPS-onderzoeksspectrum van Am -CD's, die het bestaan ​​van C-, O- en N-atomen in het gesynthetiseerde Am aangeven -CD's. Aanvullend bestand 1:Afb. S2 en S3 laten zien dat de drie cd's vergelijkbare elementaire samenstellingen hebben, zoals samengevat in tabel 1. De XPS-analyses geven ook vergelijkbare oxidatietoestand en functionaliteiten in de drie cd's aan. Afbeelding 6 en aanvullend bestand 1:Afb. S2 en S3 tonen de hoge resolutie C1s XPS-spectra voor Ax -CD's, die laten zien dat koolstof kan worden gedeconvolueerd in verschillende pieken gecentreerd op  ~ 284.0, ~ 285.2, ~ 286.9 en ~ 290.1 eV, die overeenkomen met C=C, C–C, C–O en N–C=O groepen resp. De O1s-spectra met hoge resolutie kunnen worden gedeconvolueerd in pieken die worden weergegeven bij ~ 531.8 en  ~ 532.8 eV die kunnen worden toegeschreven aan respectievelijk C=O- en C-O-groepen [17]. De N1s spectra onthullen de aanwezigheid van N–H, C–N–C en grafitische N-groepen weergegeven bij respectievelijk  ~ 399.0, ~ 400,0 en  ~ 401.4 eV [18].

een XPS-onderzoeksspectrum van Am -CD's. De hoge resolutie b C1s , c O1s , en d N1s XPS-spectra van Am -CD's

Optische eigenschappen van de Ax -CD's

De optische eigenschappen van de Ax -CD's werden onderzocht door de UV-Vis-absorptie en PL-spectra. Afbeelding 7 toont de UV–Vis-absorptie, fotoluminescentie-excitatie (PLE) en PL-spectra van de Ax -CD's. Twee absorptiepieken gecentreerd op 289 en 400 nm worden waargenomen in de UV–Vis-absorptie van Am -CD's (Fig. 7a), die overeenkomen met de π –π * overgangen van de C=C structuur, en de n –π * overgangen van C=O groepen [15]. Ao -CD's en Ap -CD's vertoonden twee pieken in de UV-Vis-spectra, maar de piekposities en intensiteiten waren verschillend (Fig. 7c, e). Dit verschil kan worden toegeschreven aan de verschillende mate van elektronische overgangen. Bovendien kan de extra brede absorptiepiek bij  ~ 510 nm worden toegeschreven aan de oppervlakteabsorptie van de Ap -CD's en successieve excitatie van de PL-emissie [19]. Dienovereenkomstig zijn de PLE- en PL-spectra verschillend voor alle drie de Ax -CD's. De Am -CD's vertonen emissie in het groene gebied bij 521 nm wanneer ze worden geëxciteerd bij 450 nm. De Ao -CD's en Ap -CD's vertonen excitatiepieken bij 360 en 580 nm en zenden uit in respectievelijk het blauwe gebied bij 432 nm en het oranje gebied bij 596 nm.

De genormaliseerde UV–Vis-absorptiespectra, PL-excitatie- en PL-emissiespectra van de a Am -CD's, c Ao -CD's en e Ap -CD's. De genormaliseerde PL-emissiespectra van de b Am -CD's, d Ao -CD's en f Ap -CD's bij verschillende excitatiegolflengten

Figuren 7b, d, f laten zien dat Am - en Ao -CD's vertonen excitatie-afhankelijke emissie terwijl Ap -CD's vertonen excitatie-onafhankelijke emissie. Het excitatiegolflengteafhankelijke PL-emissiegedrag kan afkomstig zijn van de niet-uniforme CD's-grootte en de aanwezigheid van verschillende oppervlaktedefecten en verschillende functionele oppervlaktegroepen in de CD's [20, 21]. Het excitatiegolflengte-onafhankelijke PL-emissiegedrag van Ap -CD's geven uniforme emissietoestanden aan, die ook resulteren in een smalle emissiebreedte. De verschillende excitatiegolflengte-gerelateerde PL-eigenschappen onder de Ax -CD's impliceren de verschillende energietoestanden en hun morfologie [22, 23].

Oplosmiddeleffecten en QY op de PL-emissie-eigenschappen

De effecten van oplosmiddel, inclusief gedeïoniseerd water (H₂ O), Methanol (MeOH), Ethanol (EtOH), Isopropylalcohol (IPA), Aceton (ACE), Acetonitril (ACN), N ,N -Dimethylformamide (DMF) en dimethylsulfoxide (DMSO) op de PL-emissie-eigenschappen van de Ax -CD's werden onderzocht. Aanvullend bestand 1:Fig. S4 laat zien dat de PL-emissiegolflengte verandert bij verschillende oplosmiddelen. Dit toont de typische solvatochrome eigenschappen van cd's die worden veroorzaakt door de interactie tussen functionele oppervlaktegroepen van cd's en oplosmiddelen [21, 24].

Aanvullend bestand 1:Afb. S5 laat zien dat de Am -CD's bezaten de hoogste QY van de drie CD's. Bovendien is de Ax -CD's in ethanoloplosmiddel vertonen een hogere QY dan die in water, wat kan worden verklaard door (1) hogere mate van agglomeratie van CD's in hoog polair oplosmiddel, (2) verhoogde snelheid van niet-stralingsverval tijdens de interactie tussen zeer polair oplosmiddel en CD's, en (3) door water geïnduceerde morfologische verandering [25].

pH-effecten op de fluorescentie-emissie van Ax -CD's

De PL-emissie-intensiteiten van de voorbereide Am -, Ao -, en Ap -CD's werden gecontroleerd bij verschillende pH-omstandigheden. Afbeelding 8 laat zien dat Am - en Ao -CD's vertonen een vergelijkbaar PL-emissiegedrag als de pH van de oplossing verandert. De afname van de PL-emissie naarmate de pH toeneemt, kan worden toegeschreven aan de deprotonering van de functionele oppervlaktegroepen van de Am - en Ao -CD's, resulterend in de agglomeratie van CD's [26,27,28,29].

PL-emissie en intensiteitsverandering van a , b Am -CD's, c , d Ao -CD's en e , v Ap -CD's onder verschillende pH-omstandigheden

Aan de andere kant, voor Ap -CD's, de PL-intensiteit neemt toe naarmate de pH van de oplossing toeneemt. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de verschillende oppervlaktelading van Ap -CD's van de andere CD's.

Om de verschillende pH-afhankelijke gedragingen tussen Ax . te onderzoeken -CD's, de zeta-potentiaal werd gevolgd bij verschillende pH-waarden. Zoals weergegeven in Fig. 9 zijn de zeta-potentialen van de Am - en Ao -CD's namen geleidelijk af met toenemende pH, terwijl de zeta-potentiaal van Ap -CD's namen toe met toenemende pH. Dit kan resulteren in minder agglomeratie en een verhoogde PL-intensiteit van Ap -CD's [30, 31].

Zeta-potentieel van a Am -CD's, b Ao -CD's en c Ap -CD's onder verschillende pH-waarden, respectievelijk