本發(fā)明屬于碳量子點制備，具體涉及一種微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法。

背景技術(shù)：

1、碳量子點（cqds）是一類新型的零維碳納米材料，因其獨特的光致發(fā)光性、良好的水溶性、環(huán)境友好性和生物相容性，在能源、材料、環(huán)境、生物和醫(yī)學等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。cqds的合成路徑主要分為“自下而上”和“自上而下”兩類。“自上而下”法通過從較大碳源進行切割、剝離等手段獲得cqds，常見的方法包括激光剝離、電化學法和超聲輔助方法等。目前，這些方法需要復雜的設(shè)備和昂貴的原料，且難以控制合成過程中的粒徑分布和熒光特性，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。“自下而上”法則是通過小分子碳源在合適的反應(yīng)條件下進行化學反應(yīng)合成cqds，具有操作簡便、原料來源廣泛等優(yōu)點，但其反應(yīng)條件和催化劑的選擇對產(chǎn)物的質(zhì)量和性能有較大影響。

2、近年來，微生物催化合成作為一種新興的金屬量子點合成方法，受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的化學合成方法相比，微生物催化合成具有操作簡便、條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)點。在微生物催化合成的過程中，微生物通過其代謝途徑將高價氧化態(tài)金屬離子轉(zhuǎn)化為低價還原態(tài)金屬離子。例如，某些細菌、真菌和酵母等微生物能夠通過其酶系統(tǒng)催化合成cdse量子點，通過控制反應(yīng)條件（如溫度、ph等），可以調(diào)節(jié)最終生成的量子點的尺寸、形態(tài)及性能。

3、煤是碳量子合成的廉價碳源，尤其是在我國褐煤和無煙煤資源豐富的地區(qū)，利用煤資源制備碳量子不僅能有效降低成本，還能促進煤的高效利用，具有重要的經(jīng)濟和環(huán)境價值。盡管研究表明煤基碳量子點具有良好的熒光性質(zhì)和化學穩(wěn)定性，但目前碳量子點的制備方法仍存在諸多問題，如制備過程的復雜性、產(chǎn)物的純度和均一性難以控制等。因此，開發(fā)一種綠色、可持續(xù)的碳量子點制備方法，不僅可以有效降低制備成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)煤的高值化利用?；谠摫尘埃芯空唛_始探索利用微生物催化合成煤基碳量子點的方法，通過微生物的代謝途徑來控制碳量子點的形貌、大小以及熒光特性，為碳量子點的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用提供了新的思路和技術(shù)路線。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種以煤為原料，通過微生物催化合成技術(shù)制備煤基碳量子點的方法，利用微生物代謝作用對煤的有機結(jié)構(gòu)進行降解和轉(zhuǎn)化，從而高效、綠色地制備碳量子點，同時減少煤炭廢棄物的環(huán)境負擔。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、對煤進行預處理，具體包括破碎與滅菌處理；

4、s2、將預處理后的煤樣與選定的微生物或生物因子結(jié)合，進行煤的發(fā)酵處理；

5、s3、發(fā)酵完成后，對煤發(fā)酵液進行透析，制備碳量子點溶液；

6、s4、對透析后的碳量子點溶液進行分離純化，去除雜質(zhì)；

7、s5、對分離純化后的碳量子點溶液進行快速凍干，獲得具有熒光性質(zhì)的碳量子點。

8、進一步地，步驟s1中的煤為任意煤種，預處理中煤破碎粒徑為60?~?200目，滅菌溫度為121?℃，滅菌時間為20?min。

9、進一步地，步驟s2的微生物或生物因子包括所有能夠促進煤降解的真菌、細菌及其合成的活性生物酶，發(fā)酵方式為好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵或生物酶發(fā)酵，發(fā)酵次數(shù)為一次或多次。

10、進一步地，步驟s3中透析所用的透析膜為分子量截留值500?~?2?000?da的透析膜，透析次數(shù)為一次或多次。

11、進一步地，步驟s4中的分離純化，利用煤發(fā)酵液中不同有機物的極性差異，通過硅膠色譜柱實現(xiàn)碳量子點的高效分離，其中不同有機物在硅膠色譜柱中具有不同的滯留時間。

12、進一步地，步驟s5中的具有熒光性質(zhì)的碳量子點在紫外或藍光激發(fā)下發(fā)出藍綠光，激發(fā)峰位于300?~?350?nm區(qū)間，發(fā)射峰位于450?~?550?nm區(qū)間，所述碳量子點具有類石墨結(jié)構(gòu)，粒徑小于3?nm。

13、采用上述技術(shù)方案，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

14、（1）利用煤中復雜有機物質(zhì)作為碳源，通過微生物代謝生成碳量子點，降低了碳量子的生產(chǎn)成本。

15、（2）采用微生物發(fā)酵過程，無需高溫高壓或強烈化學試劑，環(huán)保、綠色。

16、（3）具有較高的資源利用效率，能夠充分利用煤炭，減輕煤炭廢棄物對環(huán)境的影響。

17、（4）通過分離純化工藝，制備出的碳量子點純度較高，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。

18、綜上所述，本發(fā)明以微生物為核心，結(jié)合有氧或厭氧發(fā)酵過程，充分利用煤炭資源，實現(xiàn)煤基碳量子點的高效制備。該方法不僅具有良好的環(huán)保性，還能為碳量子點的工業(yè)化生產(chǎn)提供新技術(shù)，對煤炭的高效轉(zhuǎn)化和綠色化學合成具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，其特征在于：步驟s1中的煤為任意煤種，預處理中煤破碎粒徑為60?~?200目，滅菌溫度為121?℃，滅菌時間為20?min。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，其特征在于：步驟s2的微生物或生物因子包括所有能夠促進煤降解的真菌、細菌及其合成的活性生物酶，發(fā)酵方式為好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵或生物酶發(fā)酵，發(fā)酵次數(shù)為一次或多次。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，其特征在于：步驟s3中透析所用的透析膜為分子量截留值500?~?2?000?da的透析膜，透析次數(shù)為一次或多次。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，其特征在于：步驟s4中的分離純化，利用煤發(fā)酵液中不同有機物的極性差異，通過硅膠色譜柱實現(xiàn)碳量子點的高效分離，其中不同有機物在硅膠色譜柱中具有不同的滯留時間。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，其特征在于：步驟s5中的具有熒光性質(zhì)的碳量子點在紫外或藍光激發(fā)下發(fā)出藍綠光，激發(fā)峰位于300?~?350nm區(qū)間，發(fā)射峰位于450?~?550?nm區(qū)間，所述碳量子點具有類石墨結(jié)構(gòu)，粒徑小于3?nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種微生物催化合成煤基碳量子點的制備方法，具體制備步驟如下：①對煤進行預處理，具體包括破碎與滅菌處理；②將預處理后的煤樣與選定的微生物或生物因子結(jié)合，進行煤的發(fā)酵處理；③發(fā)酵完成后，對煤發(fā)酵液進行透析，制備碳量子點溶液；④對透析后的碳量子點溶液進行分離純化，去除雜質(zhì)；⑤對分離純化后的碳量子點溶液進行快速凍干，獲得具有熒光性質(zhì)的碳量子點。本發(fā)明以微生物為核心，結(jié)合有氧或厭氧發(fā)酵過程，充分利用煤炭資源，實現(xiàn)煤基碳量子點的高效制備。該方法不僅具有良好的環(huán)保性，還能為碳量子點的工業(yè)化生產(chǎn)提供新技術(shù)，對煤炭的高效轉(zhuǎn)化和綠色化學合成具有重要意義。

技術(shù)研發(fā)人員：汪露飛,趙偉仲,蘇黎楠,蘇現(xiàn)波,丁銳,李明栩
受保護的技術(shù)使用者：河南理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15