두부 폐수로부터 청색 및 녹색 발광 탄소 양자점의 수열 합성
요약
두부 제조 폐수로부터 형광 탄소 양자점(CQD)을 제조하는 간단한 수열 방법을 보고합니다. 두 가지 CQD 변종을 얻었습니다: 탈수에서 합성된 CQD-1은 자외선 하에서 청색 형광을, NaOH 용액에서 제조된 CQD-2는 녹색 형광을 방출합니다. X선 광전자 분광법(XPS) 분석 결과, 핵심 차이는 표면 화학에 있습니다. CQD-1은 C-O와 C=O 기가 더 높은 농도를 가지며, CQD-2는 NaOH 처리로 인해 카르복실 기가 풍부합니다. 광발광(PL) 연구는 뚜렷한 발광 색상을 확인하고 표면 상태의 역할에 대한 통찰을 제공합니다. CQD-1의 양자 수율 54.49%로, 이 접근법은 일반적인 식품 가공 폐기물 스트림을 고부가가치화하면서 고성능 CQD로의 지속 가능한 경로를 입증합니다.
배경
아시아 요리의 주식인 두부는 이제 산업 규모로 생산되어 콩 황색 장액이 풍부한 대량의 폐수를 발생시킵니다. 이 유출수는 탄수화물, 단백질, 유기산, 색소를 함유하여 환경 문제를 야기하지만, 나노소재 합성을 위한 귀중한 탄소 공급원이기도 합니다. 탄소 양자점(CQD)은 20 nm 미만의 탄소 나노입자로, 우수한 수용성, 화학적 불활성, 저독성, 생체적합성과 반도체 같은 전자 구조를 겸비하여 광학 및 생물의학 응용에 매력적입니다. 기존 CQD 합성은 다양한 전구체를 사용하는 하향식 또는 상향식 전략에 의존하며, 최근 밀짚, 오렌지 주스 등 바이오매스가 지속 가능한 탄소 원료로 주목받고 있습니다. 본 연구는 간편성과 확장성으로 알려진 수열법을 적용하여 두부 폐수를 CQD로 전환함으로써 폐기물 저감과 나노소재 생산의 이중 이점을 실현했습니다.
실험 방법
폐수는 중국 윈난성 스핑현 두부 공업단지에서 수집했습니다. 프로토콜은 다음과 같습니다: (i) 황색 장액 300 mL를 ~93°C에서 3-5시간 열분해하여 건조 잔류물 형성; (ii) 실온으로 식힌 후 50-200 mL 탈수(CQD-1용) 또는 100 mL NaOH 용액(pH ≈ 12.4)(CQD-2용) 첨가; (iii) 4분 교반 후 5분 초음파 처리; (iv) 12,000 rpm에서 20분 원심분리하여 CQD 함유 상등액 분리. 온도, 시간, pH 변화를 이용해 CQD의 광학적 특성을 조절했습니다. CQD-1은 육안으로 노란색이나 자외선 하에서 청색 형광을, CQD-2는 녹색 형광을 나타냅니다.
결과 및 고찰
형태와 크기. 고해상도 TEM 이미지(그림 1)에 따르면 두 CQD 변종 모두 단분산 구형 나노입자로 직경 2-10 nm 범위, 평균 크기 3.5-5.5 nm, 격자 간격 ~0.21-0.22 nm로 흑연 구조가 확인됩니다.
표면 화학. 전체 스캔 XPS 스펙트럼(그림 2)은 C, N, O 및 미량 S, P(CQD-1) 또는 Na, Cl(CQD-2)의 존재를 확인합니다. 고해상도 C 1s 스펙트럼(그림 3)에서 CQD-1은 C-C/C=C(284.7 eV), C-O(286.1 eV), C=O(287.9 eV) 결합을 가지며, CQD-2는 추가로 COOH 피크(289.1 eV)를 보입니다. CQD-2에서 C-O/C=O 함량 감소는 수산화물 매개 표면 패시베이션 결과로, 발광 파장이 장파장 쪽으로 이동하게 합니다.
광발광. PL 스펙트럼(그림 4)에서 CQD-1은 ~410 nm 여기에서 최대 강도의 밝은 청색광을, CQD-2는 ~480 nm 여기에서 최대 강도의 녹색광을 방출합니다. 발광 피크는 여기 파장 증가에 따라 장파장 쪽으로 이동하며, 크기 의존적 양자 구속보다는 표면 상태가 PL 거동을 지배함을 나타냅니다. CQD-1의 더 높은 질소 함량(8.5% vs 6.8%)이 추가 표면 상태를 통해 복사 재결합을 촉진하여 CQD-2 대비 우수한 양자 수율(54.49%)을 설명합니다.
발광 메커니즘. 데이터는 표면-상태-매개 재결합 모델을 지지합니다: 광여기된 전자가 표면 상태(C-O, C=O, COOH)로 비복사적으로 이완된 후 원자가 띠의 정공과 복사적으로 재결합합니다. CQD-1에 두 개의 뚜렷한 표면 상태가 존재하여 더 넓고 이중 피크 PL 스펙트럼을 보이는 반면, CQD-2의 단일 COOH 우세 상태는 더 좁은 녹색 발광을 생성합니다.
결론
이 연구는 쉽게 구할 수 있고 환경적으로 문제가 되는 부산물인 두부 폐수를 단순한 수열 공정으로 고품질 CQD로 고부가가치화할 수 있음을 입증했습니다. 결과 청색 및 녹색 발광 CQD는 표면 화학에 의해 조절되는 조정 가능한 광발광을 보이며, 청색 변종의 양자 수율이 50%를 초과합니다. 이 접근법은 대규모 CQD 생산을 위한 지속 가능하고 저비용의 경로를 제공하며, 생체 영상, 센싱, 광전자 분야 응용을 발전시킬 잠재력을 가집니다. 향후 연구는 표면 기능화를 추가로 조정하여 발광 스펙트럼을 적색 영역으로 확장하는 데 초점을 맞출 것입니다.
