【摘 要】
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碳点（CDs）作为一种典型的零维碳基纳米颗粒,因其独特的性质（生物相容性、强荧光性、水溶性、带隙可调节,无毒性等）在生物成像、发光器件、光催化以及疾病治疗等领域有着广泛的应用前景。CDs的能级结构是调控CDs独特性质并拓展其应用的关键。然而,目前关于CDs性质的定量理解对研究者来说仍然是一个巨大的挑战,这在很大程度上取决于其电子能级结构。因此,找到CDs的能级与性质之间的定量关系一直是研究者们需要
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碳点（CDs）作为一种典型的零维碳基纳米颗粒,因其独特的性质（生物相容性、强荧光性、水溶性、带隙可调节,无毒性等）在生物成像、发光器件、光催化以及疾病治疗等领域有着广泛的应用前景。CDs的能级结构是调控CDs独特性质并拓展其应用的关键。然而,目前关于CDs性质的定量理解对研究者来说仍然是一个巨大的挑战,这在很大程度上取决于其电子能级结构。因此,找到CDs的能级与性质之间的定量关系一直是研究者们需要解决的问题。本论文通过紧束缚近似方法和对CDs的结构调控,得到了定量测定CDs能级位置的方法,进一步设计并制备了三种能级位置不同CDs修饰的改性氮化碳（NCN）复合纳米材料,探究了不同能级结构的CDs对NCN光催化性能的影响,具体研究内容如下所示:（1）采用紧束缚近似方法和对CDs的结构调控,获得了 CDs能级与带隙的关系,即ECB=0.55 ×Eg-4.11-4π（0.159a-0.115b-0.037c）EVB=-0.45 ×Eg-4.11-4π（0.159a-0.115b-0.037c）其中a,b,c分别为CDs表面羧基（-COOH）,羟基（-OH）和氢（-H）所占的摩尔比例。根据方程,对于给定的CDs,其表面官能团比例为定值,能级与带隙呈线性关系。对于上述关系式的验证,建立了 C6H6、C24H12、C32H14、C54H18、C6H3（OH）3、C24H6（OH）6、C32H7（OH）7、C54H9（OH）9、C6H3（COOH）3、C24H6（COOH）6、C32H7（COOH）7、C54H9（COOH）9共12 个 CDs 模型,并通过第一性原理（DFT）计算得到了 12种CDs模型的能级位置。将上述CDs模型表面的官能团比例与带隙值带入线性关系式,计算得出的能级位置与DFT计算结果具有良好的一致性。此外,通过高温氧化和透析的方法制备了 8种CDs,并通过CV测试得到了 8种CDs的能级位置和带隙,其结果与线性关系式保持一致。本工作加深了对CDs的能级与其自身结构之间关系的科学理解,并有利于拓宽CDs在光学和光电化学等领域的应用。（2）通过简单的高温氧化和透析的方法设计并制备了三种能级结构不同的CDs（CDs1、CDs2和CDs3）,将其分别与改性氮化碳（NCN）复合获得了复合物（CDs1-NCN、CDs2-NCN和CDs3-NCN）,进而探究了不同能级结构的CDs对NCN光催化水和氧气生成H2O2催化活性的影响。其中CDs1-NCN作为双通道光催化剂,H2O2的产生速率达到1938μmol g-1 h-1,比块体纯相氮化碳（C3N4）高27.5倍,而光催化剂CDs2-NCN产生H2O2的速率仅为540 μmol g-1 h-1,光催化剂CDs3-NCN产生H2O2的速率为1187 μmol g-1 h-1,与未负载CDs的NCN相似(1140μmolg-1h-1)。实验结果证明了 CDs在光催化应用中并不总是以有利于光催化反应方向进行,其催化性能与CDs的能级位置有着紧密的联系。结合光电化学测试、瞬态光电压分析、小波变换分析以及经验模态分解分析,证明了理想的能级位置及带隙可以使CDs1成为复合催化剂氧还原产生H2O2的反应活性位点。该工作为理解CDs能级在光催化反应中的作用提供了清晰的研究策略。
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