Гидротермический синтез сине- и зеленолюминесцирующих углеродных квантовых точек из сточных вод тофу

Аннотация

Мы сообщаем о простом гидротермическом методе производства флуоресцентных углеродных квантовых точек (CQDs) из сточных вод производства тофу. Были получены два варианта CQDs: CQDs-1, синтезированные в деионизированной воде, излучают синюю флуоресценцию под УФ-светом, в то время как CQDs-2, приготовленные в растворе NaOH, излучают зеленый свет. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) показывает, что ключевое различие кроется в поверхностной химии — CQDs-1 содержат более высокие концентрации групп C–O и C=O, тогда как CQDs-2 обогащены карбоксильными функциями благодаря обработке NaOH. Фотолюминесцентные (PL) исследования подтверждают отличительные цвета излучения и дают понимание роли поверхностных состояний. С квантовым выходом 54,49% для CQDs-1, этот подход демонстрирует устойчивый путь к высокопроизводительным CQDs при одновременной утилизации распространенного отхода пищевой промышленности.

Введение

Тофу, основное продукт азиатской кухни, теперь производится в промышленных масштабах, генерируя большие объемы сточных вод, богатых соевым желтым сывороточным продуктом. Этот выбросы, содержащие углеводы, белки, органические кислоты и пигменты, создают экологические проблемы, но также представляют ценный углеродный источник для синтеза наноматериалов. Углеродные квантовые точки (CQDs) — это суб-20-нм углеродные наночастицы, сочетающие отличную водорастворимость, химическую инертность, низкую токсичность и биосовместимость с полупроводниковоподобными электронными структурами, что делает их привлекательными для оптических и биомедицинских применений. Конвенциональный синтез CQDs опирается на сверху-вниз или снизу-вверх стратегии, использующие разнообразные предшественники; недавние работы подчеркнули биомассу (например, пшеничную солому, апельсиновый сок) как устойчивые углеродные сырья. Наше исследование адаптирует гидротермический маршрут — известный своей простотой и масштабируемостью — для превращения сточных вод тофу в CQDs, обеспечивая двойную выгоду: уменьшение отходов и производство наноматериалов.

Методы

Сточные воды собирали с Тофу Индустриального Парка, округ Ши Пин, провинция Юньнань, Китай. Протокол включал: (i) пиролиз 300 мл желтого сывороточного продукта при ~93 °C в течение 3–5 ч до образования сухого остатка; (ii) охлаждение до комнатной температуры и добавление 50–200 мл деионизированной воды (для CQDs-1) или 100 мл раствора NaOH (pH ≈ 12,4) (для CQDs-2); (iii) перемешивание 4 мин с последующей 5-минутной ультразвуковой обработкой; (iv) центрифугирование при 12 000 об/мин в течение 20 мин для изоляции надстоящей жидкости, содержащей CQDs. Вариации температуры, времени и pH использовали для настройки оптических свойств CQDs. CQDs-1 невооруженным глазом кажутся желтыми, но флуоресцируют синим под УФ, тогда как CQDs-2 флуоресцируют зеленым.

Результаты и обсуждение

Морфология и размер. Высокоразрешающие TEM изображения (Рисунок 1) показывают, что оба варианта CQDs являются монодисперсными сферическими наночастицами с диаметрами 2–10 нм; средний размер 3,5–5,5 нм и решетковый интервал ~0,21–0,22 нм подтверждают графитоподобный порядок.

Поверхностная химия. Полные XPS спектры (Рисунок 2) подтверждают наличие C, N, O и незначительных S, P (CQDs-1) или Na, Cl (CQDs-2). Высокоразрешающие C 1s спектры (Рисунок 3) раскрывают, что CQDs-1 содержат связи C–C/C=C (284,7 эВ), C–O (286,1 эВ) и C=O (287,9 эВ), тогда как CQDs-2 показывают дополнительный пик COOH (289,1 эВ). Уменьшенное содержание C–O/C=O в CQDs-2 результатом гидроксид-опосредованной поверхностной пассивации, смещающей излучение к более длинным волновым длинам.

Фотолюминесценция. PL спектры (Рисунок 4) показывают, что CQDs-1 излучают яркий синий свет с максимальной интенсивностью при возбуждении ~410 нм, в то время как CQDs-2 излучают зеленый свет, с пиком при ~480 нм возбуждении. Пик излучения смещается к более длинным волновым длинам с увеличением волны возбуждения, указывая на то, что поверхностные состояния, а не квантовое замыкание размер-зависимое, доминируют в поведении PL. Более высокое содержание азота (8,5% против 6,8%) в CQDs-1 усиливает радиативную рекомбинацию через дополнительные поверхностные состояния, объясняя его превосходный квантовый выход (54,49%) относительно CQDs-2.

Механизм излучения. Данные поддерживают модель поверхностно-государственно-опосредованной рекомбинации: фотовозбужденные электроны нерадиативно релаксируют в поверхностные состояния (C–O, C=O, COOH) и затем радиативно рекомбинируют с дырками в валентной зоне. Наличие двух различных поверхностных состояний в CQDs-1 объясняет его более широкий, двухпиковый PL спектр, в то время как единственное COOH-доминантное состояние в CQDs-2 дает более узкое, зеленое излучение.

Заключение

Это исследование демонстрирует, что сточные воды тофу — легко доступный и экологически проблемный побочный продукт — могут быть оценены в высококачественные CQDs через простой гидротермический процесс. Полученные сине- и зеленолюминесцирующие CQDs демонстрируют настраиваемую фотолюминесценцию, управляемую поверхностной химией, с квантовым выходом превышающим 50% для синего варианта. Подход предлагает устойчивый, низкозатратный путь для крупномасштабного производства CQDs, потенциально продвигая применения в биообразовании, сенсорике и оптоэлектронике. Будущая работа будет фокусироваться на расширении спектра излучения в красную область путем дальнейшей настройки поверхностной функционализации.