1.本发明涉及一种碳量子点的方法，尤其涉及一种能够连续化基于微流控气喷制备碳量子点的方法。
技术背景
2.碳量子点是具有2～5nm尺寸的真正意义上的荧光纳米颗粒，其粒径可调且原料温和，产物无毒。量子点能够非常好的运用于光学器件，作为背光源能够有效提高显示设备的色域水平。同时由于碳量子点表面丰富的官能团以及纳米尺寸效应能够对树脂基材进行增强，大幅提高其拉伸强度基于和弯曲强度，是碳材料领域研究的重点。
3.目前碳量子点的合成多采用的是水热法、碳化法等不能够实现连续化制备，且所得产物多数不为固体粉末。如cn103274388b中所述的荧光碳量子点的制备方法是采用的高温灼烧碳化得到，虽然所得产物为固体粉末但产物杂志较多需要后续的溶解、过滤、离心等纯化处理，较为繁琐。而cncn111977645a中所述的一种碳量子点及其制备方法是是采用的反应釜聚合得到，虽然产物较为纯洁但是所得产物为碳量子溶液限制了其应用范围。本发明能够弥补上述不足，开发出一种宏量制备碳量子点的方法，通过串联微流控芯片反应系统与气喷制粉单元搭建微流控气喷设备，实现了高纯度碳量子点粉末的宏量制备。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种基于微流控气喷制备碳量子点的方法。此发明的核心是在微尺度环境下通过微通道导管的设计和通道末端外场的调节精确操控流体从而实现碳点的连续化制备。同时配合喷雾干燥系统将碳量子点溶液经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，可快速得到干燥粉末碳量子点产品。此套工艺流程相比于传统的碳量子点制备可将间歇式制备过程变为连续式制备具有较强的推广和应用价值。
5.本发明的技术方案如下：一种基于微流控气喷制备碳量子点的方法，其具体步骤为：配制碳量子点前驱体溶液；利用高精度微流泵将前驱体溶液按一定的速度匀速注入到微流体芯片组合通道中，利用加热平台给予一定的反应温度完成反应，最后通过喷雾干燥系统将反应得到的碳量子点溶液雾化，雾化后的碳量子点溶液与喷雾干燥系统中的热空气接触，溶剂汽化，即得到干燥的碳量子点粉体产品。
6.优选所述的碳量子点前驱体溶液的质量浓度为1％～10％；其中前驱体为柠檬酸，或者是柠檬酸和尿素、乙二胺、苯酚或聚乙烯醇中的一种按照摩尔比1:(0.5～1)比例的混合物；所述的溶剂一般为去离子水。
7.优选高精度微流泵采购自美国corsolutions公司，响应时间(低于40ms)，流量精度达0.2％，采用流量控制和压力控制两种模式，通常流量控制在5～60毫升/分钟；
8.优选所述的微流体芯片组合通道的形状为十字形型、圆形或直线；通道直径0.05
‑
1mm，通道深度0.05
‑
1mm，通道总长度10
‑
30cm。微流体芯片组合通道可以自制，一般采用常
州精华数控设备有限公司的数控雕刻机(jk
‑
40m)在亚克力、聚四氟乙烯、不锈钢、铝基材板上进行雕刻得到。
9.优选所述的加热平台是采用电热铁加热，反应温度为120
‑
300℃。
10.喷雾干燥平台是采用美国apvanhydor公司的装置，以70～200大气压的压力，将碳量子点溶液通过雾化器(喷枪)，雾化成80～200目的雾状微粒与100～150℃的热空气直接接触，进行热交换，完成干燥。
11.优选所制备的碳量子点粉体的发射波长在420～540nm之间，粒径为2～5nm。
12.本发明通过微流体器件的组建以及对工艺条件的控制实现目标产物的合成。其核心技术包括两个部分：
13.a.微流体器件的串联
14.微流体器件具体的为高精度微流控泵、微流体芯片组合通道、加热平台和喷雾干燥平台这四个结构单元。利用高精度微流泵将前驱体溶液按一定的速度匀速注入到具有特定结构以及轨道的反应芯片中与此同时利用加热平台给予反应芯片一定的温度为反应提供温度，由此可将间歇式的碳量子制备过程变为连续式制备。最后通过喷雾干燥系统将反应得到的碳量子点溶液雾化，雾化后的碳量子点溶液与喷雾干燥系统中的热空气接触，溶剂迅速汽化，即得到干燥产品。
15.b.工艺的调控
16.工艺的调控具体是指(1)反应溶液流量速度的调控、(2)微流体芯片通道的直径、(3)加热温度、(4)喷雾干燥的压力以及温度的调控。通过对上述四个条件的调节能够实现对反应时间、反应温度、混合效率以及产物粒度的精准控制。
17.所述的连续化制备碳量子点粉体能够有50～80g/h的产量(实验室小式级别装置)。在中式以及量产装置上预计可达10
‑
50kg/h的产量。
18.有益效果：
19.1、本发明提供了一种新的碳量子点的制备方法，创新性的通过串联微流控芯片反应系统与气喷制粉单元搭建微流控气喷设备，实现了高纯度碳量子点粉末的宏量制备。
20.2、本发明通过设计不同的微流控芯片通道，可实现多种类型及多色碳量子点粉末的制备。
21.3、相比于传统的碳量子点制备方法，例如水热法，微流控技术可将间歇式制备过程变为连续式制备，从而实现碳点的连续化制备。
22.4、本发明的产物为高纯度碳量子点粉末，应用范围更加广阔。
附图说明
23.图1为实例1
‑
4中微流体芯片组合通道示意图；其中a
‑
实施例1，b
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实施例2，c
‑
实施例3，d
‑
实施例4；
24.图2为装置工艺流程示意图；a
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碳量子点反应模块，b
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碳量子点制粉模块，1
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加热平台，2
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反应芯片，3
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控制器，4
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喷头，5
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废液收集舱，6
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雾化干燥舱，7
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抽气口，8
‑
旋风分离装置，9
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成品收集器，a
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入口，b
‑
出口，c
‑
管道；
25.图3为实例1中碳量子点的荧光激发图；
26.图4为实例1中碳量子投射电镜图。
具体实施方式
27.结合本发明的实施例对实施例中的技术方案进行清楚、完善的描述，所述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明的保护范围。
28.以图2为例，对本发明提供的方法作进一步的描述。所述的一种基于微流控气喷制备碳量子点的方法，其特征在于所述的微流控技术具体为：通过微流体器件的组建以及对工艺条件的控制实现目标产物的合成。其核心技术包括两个部分：
29.a.微流体器件的串联
30.微流体器件具体的为高精度微流控泵、特对不同前驱体的微流体芯片组合通道、加热平台和喷雾干燥平台这四个结构单元。两个主要模块如图2所示，a：碳量子点反应模块，b：碳量子点制粉模块，具体步骤为：
31.利用高精度微流泵将前驱体溶液按一定的速度匀速从图2中的入口a处注入到反应芯片2中，与此同时利用加热平台1给予反应芯片一定的温度为反应提供温度，最后反应完成的液体从出口b处送出接入b模块的管道c进行雾化干燥，碳量子点液体由管道c传送至喷头4进行加压喷雾进入雾化干燥舱6，在雾化干燥舱6中碳量子点雾化液体会与热空气接触，溶剂迅速汽化形成颗粒进入旋风分离装置8进行颗粒的筛选而未完全汽化的液体会进入废液收集舱5，颗粒进入旋风分离装置8后较粗的颗粒会从抽气口7处排除，合格粒度的产品将收集至成品收集器9中。整个过程b的控制参数是通过控制器3进行设定。由此可将间歇式的碳量子制备过程变为连续式粉体制备。
32.b.工艺的调控
33.工艺的调控具体是指(1)反应溶液流量速度的调控、(2)微流体芯片通道的直径、(3)加热温度和(4)喷雾干燥的压力以及温度的调控。通过对上述四个条件的调节能够实现对反应时间、反应温度、混合效率以及产物粒度的精准控制。
34.实施例1：
35.将柠檬酸在去离子水中配置成浓度为1％的溶液，将配置好的溶液转移至高精度微流控泵中，将微流控泵的注射流量速度设定为60毫升/分钟，设计采用如图1a所示的十字形微流体芯片组合通道，通道直径0.05mm，深度0.05mm，通道总长度30cm，以亚克力为基材。将加热平台升温加热使芯片通道温度达到120℃确保在柠檬酸溶液通过芯片通道时能够在120℃的温度下进行反应。待溶液完全通过微流体芯片通道后液体呈现深褐色，此时将其通入喷雾干燥平台，以70大气压的压力将碳量子点溶液通过雾化器(喷枪)雾化成80目的雾状微粒，将喷雾干燥设备中的热空气升温至100℃与雾状微粒直接接触，进行热交换去除液体，完成干燥得到碳量子点粉末。其荧光性能如图2所示表现为明亮的绿色，发射波长为540nm，其粒径扫描电镜图如图3所示表现为颗粒均匀的3nm纳米颗粒。
36.实施例2：
37.将摩尔比为1：1的柠檬酸和乙二胺分别在去离子水中配置成浓度为2％的溶液，将配置好的溶液转移至高精度微流控泵中，将微流控泵的注射流量速度设定为40毫升/分钟，设计采用如图1b所示的微流体芯片组合通道，通道直径0.06mm，深度0.06mm，通道总长度25cm，以聚四氟乙烯为基材。将加热平台升温加热使芯片通道温度达到150℃确保在柠檬酸和乙二胺溶液通过芯片组合通道时能够在150℃的温度下进行反应。待溶液完全通过微流
体芯片通道后液体呈现深褐色，此时将其通入喷雾干燥平台，以120大气压的压力将碳量子点溶液通过雾化器(喷枪)雾化成100目的雾状微粒，将喷雾干燥设备中的热空气升温至140℃与雾状微粒直接接触，进行热交换去除液体，完成干燥得到碳量子点粉末。其荧光性能所示表现为明亮的蓝绿色，发射波长为500nm，其粒径表现为颗粒均匀的2.8nm纳米颗粒。
38.实施例3：
39.将摩尔比为1：0.8的柠檬酸和尿素分别在去离子水中配置成浓度为5％的溶液，将配置好的溶液转移至高精度微流控泵中，将微流控泵的注射流量速度设定为30毫升/分钟，设计采用如图1c所示的微流体芯片组合通道，通道直径0.07mm，深度0.07mm，通道总长度20cm，以不锈钢为基材。将加热平台升温加热使芯片通道温度达到160℃确保在柠檬酸和尿素溶液通过芯片组合通道时能够在160℃的温度下进行反应。待溶液完全通过微流体芯片通道后液体呈现深褐色，此时将其通入喷雾干燥平台，以140大气压的压力将碳量子点溶液通过雾化器(喷枪)雾化成150目的雾状微粒，将喷雾干燥设备中的热空气升温至150℃与雾状微粒直接接触，进行热交换去除液体，完成干燥得到碳量子点粉末。其荧光性能所示表现为明亮的蓝色，发射波长为490nm，其粒径表现为颗粒均匀的2.7nm纳米颗粒。
40.实施例4：
41.将摩尔比为1：0.6的柠檬酸和聚乙烯醇分别在去离子水中配置成浓度为8％的溶液，将配置好的溶液转移至高精度微流控泵中，将微流控泵的注射流量速度设定为10毫升/分钟，设计采用如图1d所示的微流体芯片组合通道，通道直径0.08mm，深度0.08mm，通道总长度15cm，以不锈钢为基材。将加热平台升温加热使芯片通道温度达到250℃确保在柠檬酸和苯胺类溶液通过芯片组合通道时能够在250℃的温度下进行反应。待溶液完全通过微流体芯片通道后液体呈现深褐色，此时将其通入喷雾干燥平台，以180大气压的压力将碳量子点溶液通过雾化器(喷枪)雾化成180目的雾状微粒，将喷雾干燥设备中的热空气升温至150℃与雾状微粒直接接触，进行热交换去除液体，完成干燥得到碳量子点粉末。其荧光性能所示表现为明亮的蓝色，发射波长为450nm，其粒径表现为颗粒均匀的2.6nm纳米颗粒。
42.实施例5：
43.将摩尔比为1：0.5的柠檬酸和苯酚分别在去离子水中配置成浓度为10％的溶液，将配置好的溶液转移至高精度微流控泵中，将微流控泵的注射流量速度设定为5毫升/分钟，设计采用如图1d所示的微流体芯片组合通道，通道直径0.1mm，深度0.1mm，通道总长度15cm，以铝为基材。将加热平台升温加热使芯片通道温度达到300℃确保在柠檬酸和苯胺类溶液通过芯片组合通道时能够在300℃的温度下进行反应。待溶液完全通过微流体芯片通道后液体呈现深褐色，此时将其通入喷雾干燥平台，以200大气压的压力将碳量子点溶液通过雾化器(喷枪)雾化成200目的雾状微粒，将喷雾干燥设备中的热空气升温至150℃与雾状微粒直接接触，进行热交换去除液体，完成干燥得到碳量子点粉末。其荧光性能所示表现为明亮的黄色，发射波长为420nm，其粒径表现为颗粒均匀的2.5nm纳米颗粒。