ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Останнім часом широку увагу дослідників привертає особливий різновид вуглецевих наноматеріалів – вуглецеві наноточки (ВНТ), завдяки їх низькій токсичності, гарній біосумісності, хімічній інертності, високій фотостабільності та люмінесценції. Встановлено, що допування деякими гетероатомами є ефективним підходом для поліпшення люмінесценції таких матеріалів. Крім того, використання поверхні кремнезему як носія може промотувати синтез ВНТ і розширити сферу застосування кремнезем-вуглецевих композитів. Останні досягнення в області синтезу люмінесцентних композитів на основі кремнезему та ВНТ показали високий потенціал таких систем у процесах біовізуалізації, сенсорики та твердотільного освітлення. Проте більшість методів синтезу таких матеріалів все ще залишаються відносно складними та коштовними. В даній роботі було використано простий та недорогий спосіб одержання люмінесцентних наноматеріалів на основі кремнезему. Мета роботи полягала у вивченні люмінесцентних властивостей матеріалів, одержаних піролізом уратів цитринової кислоти на поверхні кремнезему.

Як матеріал-носій використовували пірогенний кремнезем. Спочатку готували водні або спиртові розчини солей з різним співвідношенням цитринової кислоти та сечовини, а потім проводили осадження цих солей на поверхню кремнезему. Одержаний матеріал піддавали термічній обробці за температури до 270 °C, після чого проводили реєстрацію і аналіз спектрів поглинання та фотолюмінесценції цих зразків.

Результати показали, що, незалежно від використаного розчинника, як висушені, так і піролізовані зразки проявляють люмінесцентні властивості, причому квантовий вихід люмінесценції знаходиться в межах 7–11 %. Заміна співвідношення цитринова кислота:сечовина в діапазоні значень 1:(1÷3) не впливає на люмінесцентні властивості висушених зразків, однак їх подальша термообробка при 270 °С призводить до зниження інтенсивності люмінесценції. Заміна розчинника з води на етиловий спирт неоднозначно впливає на люмінесцентні властивості висушених зразків кремнезему з нанесеними солями у різних співвідношеннях цитринова кислота:сечовина. Проте, подальша термообробка при 270 °С приводить до того, що, незалежно від цих співвідношень, такі кремнеземи володіють приблизно однаковими люмінесцентними властивостями. Серед використаних співвідношень цитринова кислота:сечовина, розчинників і варіантів термічної обробки, найбільш прийнятним є варіант нанесення на кремнезем солі 1:1 із спиртових розчинів з подальшою сушкою і термічною обробкою при 270 °С.

1. Yang Z., Li Z., Xu M., Ma Y., Zhang J., Su Y., Gao F., Wei H., Zhang L. Controllable synthesis of fluorescent carbon dots and their detection application as nanoprobes. Nano-Micro Lett. 2013. 5(4): 247. https://doi.org/10.1007/BF03353756

2. Zheng X.T., Ananthanarayanan A., Luo K.Q., Chen P. Glowing graphene quantum dots and carbon dots: properties, syntheses, and biological applications. Small. 2015. 11(14): 1620. https://doi.org/10.1002/smll.201402648

3. Du W., Xu X., Hao H., Liu R., Zhang D., Gao F., Lu Q. Green synthesis of fluorescent carbon quantum dots and carbon spheres from pericarp. Sci. China Chem. 2015. 58(5): 863. https://doi.org/10.1007/s11426-014-5256-y

4. Qian Z., Shan X., Chai L., Ma J., Chen J., Feng H. Si-doped carbon quantum dots: a facile and general preparation strategy, bioimaging application, and multifunctional sensor. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. 6(9): 6797. https://doi.org/10.1021/am500403n

5. Anilkumar P., Wang X., Cao L., Sahu S., Liu J.-H., Wang P., Korch K., Tackett K.N., Parenzan A., Sun Y.-P. Toward quantitatively fluorescent carbon-based «quantum» dots. Nanoscale. 2011. 3(5): 2023. https://doi.org/10.1039/c0nr00962h

6. Yang C., Thomsen R.P., Ogaki R., Kjems J., Teo B.M. Ultrastable green fluorescence carbon dots with high quantum yield for bioimaging and use as theranostic carriers. J. Mater. Chem. B. 2015. 3: 4577. https://doi.org/10.1039/C5TB00467E

7. Cao L., Yang S-T., Wang X., Luo P.G., Liu, J.-H. Sahu S., Liu Y., Sun Y.-P. Competitive performance of carbon "quantum" dots in optical bioimaging. Theranostics. 2012. 2(3): 295. https://doi.org/10.7150/thno.3912

8. Li X., Zhang S., Kulinich S.A., Liu Y., Zeng H. Engineering surface states of carbon dots to achieve controllable luminescence for solid-luminescent composites and sensitive Be²⁺ detection. Sci. Rep. 2014. 4: 4976. https://doi.org/10.1038/srep04976

9. Hu L., Sun Y., Li S., Wang X., Hu K., Wang L., Liang X., Wu Y. Multifunctional carbon dots with high quantum yield for imaging and gene delivery. Carbon. 2014. 67: 508. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.10.023

10. Wei W., Xu C., Wu L., Wang J., Ren J., Qu X. Non-enzymatic-browning-reaction: a versatile route for production of nitrogen-doped carbon dots with tunable multicolor luminescent display. Sci. Rep. 2014. 4: 3564. https://doi.org/10.1038/srep03564

11. Dong Y., Pang H., Yang H.B., Guo C., Shao J., Chi Y., Li C.M., Yu T. Carbon-based dots co-doped with nitrogen and sulfur for high quantum yield and excitation-independent emission. Ang. Chem. Int. Ed. 2013. 52(30): 1.

12. Qu D., Zheng M., Du P., Zhou Y., Zhang L., Li D., Tan H., Zhao Z., Xied Z., Sun Z. Highly luminescent S, N co-doped graphene quantum dots with broad visible absorption bands for visible light photocatalysts. Nanoscale. 2013. 5: 12272. https://doi.org/10.1039/c3nr04402e

13. Kang M.S., Singh R.K., Kim T.H., Kim J.H., Patel K.D., Kim H.W. Optical imaging and anticancer chemotherapy through carbon dot created hollow mesoporous silica nanoparticles. Acta Biomater. 2017. 55: 466. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2017.03.054

14. Wang Z., Xu C., Lu Y., Wu F., Ye G., Wei G., Sun T., Chen J. Visualization of adsorption: luminescent mesoporous silica-carbon dots composite for rapid and selective removal of U(VI) and in situ monitoring the adsorption behavior. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. 9(8): 7392. https://doi.org/10.1021/acsami.6b13427

15. Xiang G., Ren Y., Zhang H., Fan H., Jiang X., He L., Zhao W. Carbon dots based dual-emission silica nanoparticles as ratiometric fluorescent probe for chromium speciation analysis in water samples. Can. J. Chem. 2018. 96(1): 72. https://doi.org/10.1139/cjc-2017-0472

16. Suzuki K., Malfatti L., Takahashi M., Carboni D., Messina F., Tokudome Y., Takemoto M., Innocenzi P. Design of carbon dots photoluminescence through organo-functional silane grafting for solid-state emitting devices. Sci. Rep. 2017. 7: 5469. https://doi.org/10.1038/s41598-017-05540-5

17. Nelson D.K., Razbirin B.S., Starukhi A.N., Eurov D.A., Kurdyukov D.A., Stovpiaga E.Yu., Golubev V.G. Photoluminescence of carbon dots from mesoporous silica. Opt. Mater. 2016. 59: 28. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.03.051

18. Tian Y., Ran Z., Yang W. Carbon dot-silica composite nanoparticle: an excitation-independent fluorescence material with tunable fluorescence. RSC Adv. 2017. 7(69): 43839. https://doi.org/10.1039/C7RA07990G

19. Guo Z., Zhu Zh., Zhang X., Chen Y. Facile synthesis of blue-emitting carbon dots@mesoporous silica composite spheres. Solid State Sci. 2018. 76: 100. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2017.12.011

20. Wang J., Zhang F., Wang Y., Yang Y., Liu X. Efficient resistance against solid-state quenching of carbon dots towards white light emitting diodes by physical embedding into silica. Carbon. 2018. 126: 426. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.10.041