碳纳米材料主要包括碳纳米颗粒,碳纳米管,石墨烯和富勒烯。这些碳材料具备很多优良的性质,比如极好的磁学,电学,光学性质等等。特别是碳量子点自从2004年被首次发现以来引起了研究者普遍的关注。碳量子点是一种粒径小于10 nm的分散性良好的,形状近似球形的碳纳米材料,具有量子限域效应和边缘效应。作为一种新型的荧光碳纳米功能材料,碳量子点具有很多优良的性质,包括较低的毒性,极好的光稳定性,良好的生物兼容性,化学惰性和低成本。这些优良的性质使其在环境监测、生物传感、生物成像、太阳能电池,发光二极管、光电转换和光催化等领域有着广泛的应用。碳量子点的性质与结构密切相关。碳量子点团簇的结构包括分子结构与晶体结构。碳量子点的分子结构决定电子结构,与性质密切相关。研究结果表明:碳量子点的氧化程度越高,则分子的含氧官能团增加,光致发光的发射光谱会发生红移。也可以通过掺入氮,磷,硼,硫等元素来改变电子结构从而调节碳量子点的光学性质。晶体结构决定表面结构,碳量子点的表面结构与性质关系重大,所以研究碳量子点的分子结构和晶体结构与性质的关系至关重要。但是目前各种原料和方法制备的碳量子点都是混合物,不仅成分复杂,而且晶体结构多样,这给研究碳量子点的结构与性质之间的关系带来挑战。本论文具体的研究工作包括:(1)本文用已知分子结构、晶体结构的纯化合物9-Hydroxyphenalenone(HPHN)通过更换溶剂法制备了发蓝色荧光的HPHN量子点。通过透射电子显微镜和动态光散射确定HPHN量子点的粒径主要分布在3-6 nm,并通过HPHN分子的晶体结构构建了HPHN量子点晶体的团簇结构,并研究了量子点的吸收光谱与溶液吸收光谱之间的区别,说明表面结构对量子点的性质的影响的重要性。所制备的HPHN量子点可以灵敏的检测铜离子。从实验和理论上验证了铜离子使HPHN量子点荧光发生猝灭的机理。(2)用廉价绿色碳源焦煤作为原料,分别用双氧水氧化和臭氧氧化用两种简单,绿色的方法来制备碳量子点(CQDs),两种方法得到的碳量子点的尺寸均分布在3 nm左右,在365 nm的紫外灯的照射下都发出黄色的荧光,双氧水氧化制备的碳量子点在酸性和碱性环境中都有较强的荧光强度,而臭氧氧化制备的碳量子点在碱性环境中荧光强度较弱。这两种碳量子点都可以对其进行表面功能化来探索在光催化领域的应用。(3)以HPHN分子为原料进一步合成分子BF2(HPHN),该分子对Fe3+有很好的选择性,检测极限可达0.09μM,是一种很好的检测金属离子的探针。