厨余物的“高光”时刻——从厨余垃圾到碳量子点的居家制备及应用探究

厨余垃圾应投放到厨余垃圾桶 #生活技巧# #节省生活成本# #生活垃圾分类指南# #节水器具购买指南#

Kitchen Waste Has Its Moment: Carbon Quantum Dots That You Can Make at Home from Kitchen Waste and Their Application

Tong Xinyang1, Ge Zijian2, Liu Yuchao2, Yao Qizhi ,2,3, Li Lingling ,2,3

1 School of the Gifted Young, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

2 School of Chemistry and Materials Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

3 National Demonstration Center for Experimental Chemistry Education (University of Science and Technology of China), Hefei 230026, China

编者按：2021年8月25–27日，“微瑞杯”第2届全国大学生化学实验创新设计竞赛全国总决赛在青岛科技大学举行。作为由中国化学会，教育部高等学校国家级实验教学示范中心联席会主办的学科专业性极强的实验创新设计竞赛，本届竞赛吸引了全国350余所高校，800余支队伍，3000余名学生参加赛区决赛和全国总决赛。历经东北、华北、华东、华中、华南、西南、西北七个分赛区的激烈角逐，最终遴选出90所高校的90支队伍晋级全国总决赛。总决赛采取评审专家线下评审、参赛团队线上答辩相结合的方式进行，竞赛采取双盲评审制度，参赛作品涵盖有机、无机、物化、分析、仪器分析、高分子化学等，参赛作品实验设计巧妙，综合利用多种实验方法解决问题，教学意义和教学目标明确，对推进化学实验教学改革创新，增强大学生实践创新能力，检验实验教学改革成果起到重要作用。最终共评出特等奖12个、一等奖28个、二等奖50个。

为了更好地宣传此次竞赛的优秀成果，同时也为了鼓舞广大师生的参赛热情，《大学化学》编辑部决定出版“第2届全国大学生化学实验创新设计竞赛”专刊，因篇幅有限，只能优中选优，展出此次大赛的特等奖(12篇)及一等奖(27篇)作品，共39篇，为提高学生实践能力和提升实验教学质量提供一个交流的平台。希望各高等院校师生能够继续积极参与竞赛，以项目促进实验教学改革，培养学生综合素质，共同推动我国实验教学的改革进程。

1 引言

碳量子点(carbon quantum dots，CQDs)是一种碳基量子点。所谓量子点(quantum dots，QDs)是指尺寸很小(2–10 nm)的球形或类球形颗粒。小尺寸引起量子限域效应，使其具有不同于大尺寸材料的光学、电学等性质[1, 2]。此外，碳量子点还具有低毒、良好的生物相容性和水溶性、原料来源广等优势，在光伏、催化、环境监测，特别是生物标记和生物成像等领域有着重要的应用[3-7]。鉴于此，人们开发出多种实验室合成碳量子点的方法，如电弧放电法[8]、激光剥蚀法[9, 10]、电化学合成法[11, 12]、化学氧化法[13]、燃烧法[14]、水热合成法[15]、微波合成法[16, 17]、模板法[18]等。

为揭开碳量子点这一新型荧光材料的神秘面纱，我们通过对文献方法优化，将目前仅能在实验室制备的碳量子点，创新性地转化为居家实验，面向不同知识储备人群，针对性地开发了系列科普活动方案。具体如下：(1) 实验室方法转化为居家科普实验，安全、有趣、易操作：以苦瓜头、果皮等厨余物为碳源，利用烤箱或微波炉，中小学生在家长的指导下，即可轻松做出碳量子点；(2) 践行3Rs (Reduce, Reuse, Recycle)理念：以厨余物为碳量子点制备原料，助力厨余物的资源化利用；(3) 科普内容层次化，多方位展现厨余物的“高光时刻”：面向中小学生、幼儿园小朋友群体，采用精心制作的原创手绘动画介绍碳量子点知识，并开展碳量子点制备和相关应用游戏；面向高中生，在掌握居家制备方法的基础上，请他们走进实验室，开展荧光多色调控、金属离子检测等探究，激发青少年学习化学的兴趣和热情；面向社会大众，科学辟谣，提升公众科学素养。

2 实验部分

2.1 实验原理

在大量文献调研的基础上，基于安全、绿色、易操作等考虑，仅以果皮等厨余物为原料，对实验室制备碳量子点的水热法进行改进和优化，创新性地开发为居家即可实现的科普实验。

2.1.1 碳量子点制备原理

苦瓜头、香蕉皮、橙子皮和西瓜皮等厨余物的糖类、维生素等，经高温碳化，可生成大量碳颗粒，其中尺寸2–10 nm的颗粒具有荧光特性，经表征确定为碳量子点，见图 1。

图1

2.1.2 碳量子点荧光机理

碳量子点尺寸极小，其电子被限制在很小的空间内，处于分立的能级。被紫外光照射时，电子捕获光子，受到激发，跃迁到更高的能级。激发态电子不稳定，很快跳回基态，多余的能量以一定波长的光发射——产生荧光，发光机理如图 2所示。

图2

2.2 原料与试剂

居家实验所用碳源材料均来自厨余物，如苦瓜头、香蕉皮、西瓜皮和橙子皮。碳量子点的应用探究，如金属离子检测，所需试剂见表 1，生产厂家均为国药集团化学试剂有限公司。

表1  金属离子检测所需试剂

试剂规格试剂规格试剂规格NaCl分析纯ZnSO4分析纯FeCl3∙6H2O分析纯Na2SO4分析纯K2Cr2O7分析纯CuSO4∙5H2O分析纯MgSO4分析纯CaCl2分析纯KAl(SO4)2∙12H2O分析纯MnSO4分析纯Pb(NO3)2分析纯VCl3实验试剂

新窗口打开|下载CSV

2.3 设备与仪器

表2  制备实验所用仪器

居家实验实验室实验仪器名称型号生产厂家仪器名称型号生产厂家榨汁机JYZ-E8九阳股份有限公司水热反应釜100 mL西安仪贝尔仪器设备有限公司电烤箱EO19L米技炫尚智能家用电器
(上海)有限公司烘箱
超声波清洗器DHG-9003
KQ5200DE上海一恒有限公司
昆山超声仪器有限公司微波炉

 迷你验钞灯

G80F23CN3L-Q6(P0)

 4.5*0.8 cm

广东格兰仕微波生活电器制造有限公司
淘宝购买紫外灯

 微孔滤膜

WFH-203B

 0.22 μm

上海精科实业有限公司
上海半岛实业有限公司净化器材厂家用不锈钢滤网100目淘宝购买变频隔膜真空泵EYELA-NVP-1000 V日本东京理化器械株式会社

新窗口打开|下载CSV

表3  表征实验所用设备

仪器名称型号生产厂家仪器名称型号生产厂家荧光光谱仪RF-6000日本岛津企业管理(中国)有限公司X射线光电子能谱仪ESCALAB 250美国赛默飞世尔科技公司X射线衍射仪Smartlab 9kw日本理学透射电子显微镜JEM-2100 Plus日本电子株式会社傅立叶变换红外光谱仪Nicolet 8700美国赛默飞世尔科技公司

新窗口打开|下载CSV

2.4 实验步骤2.4.1 探索篇之文献探究：实验室水热法

此部分为居家厨房制备碳量子点的前期实验室探究。参照Dong [19]的方法：将苦瓜头洗净，切成小块，称取30 g，置于反应釜内胆，密封后在200 ℃烘箱中反应10 h，冷却至室温。加入30 mL纯水超声分散后，用0.22 μm滤膜抽滤，收集淡黄色滤液，制备过程见图 3。

图3

2.4.2 探索篇之向前一步：尝试烘箱法

然而水热法涉及到高温高压等苛刻条件，鉴于科普实验的需要，我们以不同厨余物为原料，对温度、时间等进行进一步探究和优化，改用烘箱烘烤法，如200 ℃直接碳化苦瓜头2 h，也能得到相似的产物。流程见图 4。

图4

2.4.3 探索篇之出奇制胜：居家烤箱/微波炉法

在烘箱法的基础上，我们优化原料前处理方法：将苦瓜头用榨汁机粉碎，打碎的滤渣置于烤箱220 ℃烘烤1 h (或微波炉辐照30 min)。冷却至室温，磨成粉末；粉末分散于自来水，搅拌10 min，滤网(100目)过滤，收集淡黄色滤液，制备流程见图 5。

图5

2.4.4 探索篇之色彩斑斓：多色荧光调控

为获得更加丰富的荧光，我们在实验室以苦瓜为碳源，辅以化学试剂，或者直接将居家制备的产物分散到不同溶剂中，尝试多色荧光的有效调控。

2.4.5 身份篇：居家碳量子点表征

将滤液稀释后，紫外灯下所有样品均能发出荧光，初步认为产物为碳量子点。为进一步证明，我们用旋转蒸发仪将产物溶液60 ℃旋干，并通过X射线衍射仪(X-Ray Diffraction，XRD)、X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)、红外光谱、荧光光谱等对其分析表征。

2.4.6 应用篇：居家碳量子点应用探究2.4.6.1 金属离子的检测

配制一定浓度的Ca2+、Mg2+、Na+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+、V3+和Cr(Ⅵ) 10种金属离子溶液，探究金属离子对碳量子点荧光的猝灭效果，以获得碳量子点对不同金属离子检测的可能性。操作如下：

(1) 准确称取0.3850 g重铬酸钾，定容于250 mL容量瓶中，摇匀备用。其他金属离子溶液同样配制，浓度见表 4。

表4  金属离子对荧光的猝灭现象

名称分子量称量质量/g金属离子质量浓度/(mg∙L−1)猝灭效果Na2SO4142.040.4200543.8无MgSO4∙7H2O246.471.2842506.4无CaCl2110.980.3479502.6无FeCl3⋅6H2O270.300.6765559.1有CuSO4⋅5H2O249.690.5023511.4无VCl3157.300.3988516.6有K2Cr2O7294.190.3850544.3有Pb(NO3)2331.210.1828457.4无MnSO4∙H2O169.040.4253552.9无ZnSO4161.450.3159511.7无

新窗口打开|下载CSV

(2) 碳量子点标准溶液：称取3.0 g由苦瓜头居家制备的产物，加入30 mL纯水超声分散10 min，0.22 μm滤膜过滤，得到淡黄色溶液。

(3) 准确移取1.00 mL碳量子点标准溶液，稀释定容于250 mL容量瓶中。分别移取2.50 mL该碳量子点溶液于10个烧杯中，依次加入20.00 mL不同金属离子于对应烧杯中，搅拌10 min后，紫外灯下观察荧光猝灭情况。

2.4.6.2 Cr(Ⅵ)溶液的检测限

分别移取2.50 mL稀释后碳量子点溶液于1、2号石英烧杯中，1号加入一定体积的3 mg·L−1 Cr(Ⅵ)溶液，2号加入等体积纯水，定容到50.00 mL，紫外灯下观察荧光变化情况。

2.4.6.3 碳量子点浓度与检测效果

分别移取稀释不同倍数的碳量子点溶液2.50 mL于1、2号石英烧杯，1号烧杯加入6 mg·L−1 Cr(Ⅵ) 25.00 mL溶液，2号烧杯加入等体积水，定容到50.00 mL，紫外灯下观察荧光变化情况。

2.5 实验结果讨论2.5.1 产物的荧光检测

以厨余物为原料，经实验室水热法和居家烤箱法制备的产物溶液稀释后，分别用紫外灯、验钞灯照射，均发出明亮的蓝色荧光(图 6、图 7)。

图6

图6  水热法产物溶液在自然光(左)和紫外灯(右)下的对比图

电子版为彩图

图7

图7  烤箱法产物溶液在自然光(左)和验钞灯(右)下的比对图

电子版为彩图

图 8是居家苦瓜产物溶液的荧光检测结果。在365 nm处有最大激发，对应的发射波长为430 nm，与蓝色荧光相一致。

图8

2.5.2 多色荧光调控

我们在实验室利用不同溶剂分散居家烤箱产物粉末，或在厨余物为原料的水热合成中加入化学试剂进行调控，成功获得了多色荧光(图 9)，初步实现了对表面结构和尺寸调控的可能性。

图9

图9  以苦瓜为碳源，化学试剂参与获得的部分多色荧光产物

电子版为彩图

鉴于科普实验、展示及互动应符合绿色、安全、易操作等要求，后续实验中仅使用居家制备、并分散于水的产物。

2.5.3 碳量子点的结构和组成

图 10A是居家苦瓜产物的XRD谱图。图中呈现部分强而锐的衍射峰和一个弱的宽化峰叠加到“驼峰”上。与标准JCPDS卡片对比发现，强而锐的衍射峰可指标化为结晶的KCl，2θ =24.7°处的弱衍射峰可指标化为石墨的(002)衍射，同时结合2θ = 20°–35°之间“驼峰”的存在，可以确定存在碳物相。高分辨透射电子显微镜(HRTEM)照片(图 10B)显示，产物为2–10 nm的类球形颗粒，单分散性较好。图 10C的高分辨晶格条纹像表明，其晶面间距为0.116 nm，对应石墨(112)面间距。综上所述，所获得的样品含有类石墨化的结晶结构，产物为碳量子点。

图10

图10  居家苦瓜产物的XRD (A)、TEM (B)和HRTEM (C)图

图 11A是XPS谱图。C 1s峰分峰获得3个C峰，分别对应于C—C (284.7 eV)、C—N (285.8 eV)和O—C＝O (287.8 eV) [20]，表明产物表面存在含O、N的亲水官能团，因此在水中有很好的亲水性和稳定性。

图11

图11  居家制备产物的XPS高分辨C 1s (A)和红外光谱图(B)

图 11B是其红外光谱图，其中3000–3500 cm−1的振动带为O—H和N—H的伸缩振动峰；峰位1583 cm−1为N—H弯曲振动峰，1354 cm−1处为O—H面内弯曲振动，1122 cm−1处为C—O—C的不对称伸缩振动；而628 cm−1处为O—H的面外弯曲振动。结果表明该碳量子点表面含有大量的羟基、羧基及含氮的官能团，与XPS分析结果一致，且具有以水为分散剂得到碳量子点的典型特征振动峰[21]。

2.5.4 碳量子点对金属离子的检测结果

结果显示：Ca2+、Mg2+、Na+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+、V3+和Cr(Ⅵ) 10种金属离子中，离子电荷高且半径较小的Cr(Ⅵ)、Fe3+和V3+能有效猝灭碳量子点荧光，其余离子对荧光无明显猝灭，结果见图 12。

图12

图12  不同金属离子对荧光猝灭结果

上图：自然光，下图：紫外光；电子版为彩图

再选取对环境危害大的Cr(Ⅵ)进行实验。图 13荧光光谱分析结果表明，Cr(Ⅵ)溶液对碳量子点荧光有明显的猝灭效果。加入Cr(Ⅵ)溶液的样品，10 min后荧光几乎消失；加水的样品，荧光依然明显。

图13

不同浓度Cr(Ⅵ)溶液对碳量子点荧光猝灭的进一步研究结果见表 5。当[Cr(Ⅵ)] ≤ 1.05 mg·L−1时无明显猝灭效果；[Cr(Ⅵ)] ≥ 1.2 mg·L−1时，猝灭现象逐渐显现，Cr(Ⅵ)浓度越高，猝灭效果越明显，如图 14所示。

表5  不同浓度Cr(Ⅵ)溶液对荧光猝灭结果

1号
Cr(Ⅵ)溶液体积/mL2号
H2O体积/mLCr(Ⅵ)溶液浓度/(mg∙L−1)猝灭效果2.502.500.15无5.005.000.30无7.507.500.45无10.0010.000.60无12.5012.500.75无15.0015.000.90无17.5017.501.05无20.0020.001.20有22.5022.501.35有25.0025.001.50有30.0030.001.80有35.0035.002.10有40.0040.002.40有45.0045.002.70有47.5047.502.85有

新窗口打开|下载CSV

图14

图14  不同浓度Cr(Ⅵ)溶液对荧光的猝灭现象

电子版为彩图，下同

碳量子点溶液浓度与检测效果如图 15，碳量子点标准溶液稀释2000倍时，Cr(Ⅵ)溶液的猝灭不明显；当稀释2250倍时，猝灭现象逐渐显现。一定稀释倍数内，稀释倍数越高，猝灭效果越明显。但当稀释达到15000倍，碳量子点溶液自身荧光肉眼不可见。综上，我们用稀释5000倍的碳量子点溶液对皮革等铬污染严重行业的废水进行模拟检测。

图15

图15  不同浓度碳量子点荧光被Cr(Ⅵ)溶液猝灭的对比

3 科普展示和互动方案

本作品实现梯度科普。面向包括从幼儿园小朋友到高中生、本科生及社会大众等不同知识储备的人群，具体方案如下。

3.1 面向初中及以下群体：原创手绘科普动画+碳量子点制备互动

首先利用我们精心制作的原创手绘动画向小朋友们普及相关知识(图 16)。

图16

又由于仅以果皮、菜头为原料，制备过程安全，且易操作。我们曾带着预先制备的厨余物碳化产物，走进中、小学教室和幼儿园，指导学生和幼儿们按照图 17流程，动手制备并观察碳量子点明亮的荧光。

图17

还可以开展一些魔法作画(图 18)、隐形文字、防伪等碳量子点的趣味应用游戏。紫外灯下，画面生动可爱(图 19)。

图18

图19

3.2 面向高中生：多色荧光调控+金属离子检测应用

特别鼓励有一定化学基础的高中生，在掌握居家制备方法的基础上，走进实验室，开展多色荧光调控，寻找碳量子点斑斓多彩的一面。还可以探究各种金属离子对碳量子点荧光的猝灭效应及机理。通过科普实验助力青少年爱化学、学化学。

3.3 面向本科生：模块化实验内容，设计为源于生活的综合实验

本作品涵盖碳量子点多种方法制备、多色荧光调控、大型仪器表征、碳量子点应用等，内容丰富，可模块化选择，深化为源于生活的大学化学综合实验(6学时)。

3.4 面向社会大众：挖掘热点，科学辟谣，提升公众科学素养

“遇事不决，量子力学”。近些年，市场上出现了很多炒作量子概念的“伪创新”产品，如量子波动速读、量子医疗等(图 20)。

图20

科普工作任重而道远，我们将继续运用所学知识、简单明了的图片、生动有趣的动画引领大众正确理解量子、量子点概念，辨别“量子+生活”产品的真伪，为提升公众科学素养尽一份力！

4 结语

本科普实验安全、绿色、有趣、易操作，将新型荧光材料——碳量子点的制备，创新性地开发为居家实验，适合各类人群参与。大众不仅可以选择果皮做实验，也可以用生活中其他方便易得的含碳物质进行探究，感受化学实验的魅力。同时，我们以有趣的原创动画、通俗易懂的语言诠释科学概念，揭示碳量子点荧光机理，并设计梯度展示和互动环节，多方位展现化学的美丽与魅力，助力公众树立科学理念，激发青少年学习化学的热情和兴趣。

5 特点/特色/创新声明

(1) 居家实验：援引文献方法，经系统优化而成，安全、有趣、易操作；

(2) 3Rs (Reduce, Reuse, Recycle)理念：以厨余物为原料，助力厨余物的资源化利用；

(3) 梯度科普：针对不同年龄学生和社会大众的多层次科普，生动易懂，好推广。

参考文献

[1]

Chan C. W. ; Nie S. M. Science 1998, 281 (5385)

[本文引用: 1]

[3]

郭振振; 唐玉国; 孟凡渝; 李力; 杨大威. 中国光学, 2018, 11 (3), 431.

URL     [本文引用: 1]

[4]

颜范勇; 邹宇; 王猛; 代林枫; 周旭光; 陈莉. 化学进展, 2014, 26 (1), 61.

URL    

[6]

Martindale B. C. M. ; Hutton G. A. M. ; Caputo C. A. ; Reisner E. J. Am. Chem. Soc. 2015, 127, 6018.

[8]

Xu X. ; Ray R. ; Gu Y. ; Ploehn H. J. ; Gearheart L. ; Raker K. ; Scrivens W. A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126 (40), 12736.

DOI:10.1021/ja040082h     [本文引用: 1]

[9]

Sun Y. ; Zhou B. ; Lin Y. I. ; Wang W. ; Fernando K. A. ; Pathak P. ; Meziani M. J. ; Harruff B. A. ; Wang X. ; Wang H. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (24), 7756.

DOI:10.1021/ja062677d     [本文引用: 1]

[10]

Li X. ; Wang H. ; Shimizu Y. ; Pyatenkl A. ; Kawaguchi K. ; Koshizaki N. Chem. Commun. 2011, 47, 932.

DOI:10.1039/C0CC03552A     [本文引用: 1]

[11]

Zhou J. ; Booker C. ; Li R. ; Zhou X. ; Sham T. ; Sun X. ; Ding Z. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 744.

DOI:10.1021/ja0669070     [本文引用: 1]

[13]

Peng H. ; Travas-Sejdic J. J. Chem. Mater. 2009, 21, 5565.

[本文引用: 1]

[16]

Zhu H. ; Wang X. ; Li Y. ; Wang Z. ; Yang F. ; Yang X. Chem. Commun. 2009, 5118.

[本文引用: 1]

[18]

Liu R. ; Wu D. ; Liu S. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 25, 4668.

[本文引用: 1]

网址：厨余物的“高光”时刻——从厨余垃圾到碳量子点的居家制备及应用探究 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/639214

相关内容

厨余垃圾源头沥水的减量提质效应研究
【厨余垃圾】厨余垃圾有哪些？
小厨余，大作用！厨余垃圾知多少？厌氧发酵显神威
厨余垃圾有哪些 厨余垃圾桶的颜色 厨余垃圾怎么处理
居民厨余垃圾分出量猛增
就地处理：“消化”厨余垃圾的便捷之路
厨余垃圾处理器
餐厨垃圾如何分类？厨余垃圾处理设备及方法
巧用日常生活中的厨余“垃圾”
厨余垃圾有哪些 厨余垃圾和厨余垃圾不同之处

随便看看