基于SB3-12@NaCl协同自组装构建荧光碳微绣球：形貌调控与光学性能研究

本综述系统阐述了利用表面活性剂SB3-12与氯化钠（NaCl）的协同作用制备具有光学特性的碳微绣球（CEBs）的创新方法。研究通过SEM/TEM证实其绣球状微观形貌（1.5–3.5 μm），结合XRD/Raman分析揭示SB3-12浓度对石墨化程度（ID/IG）和缺陷密度的调控规律，XPS/FT-IR证实O/N/S杂原子掺杂与荧光特性（375–460 nm）的关联性，为新型功能化碳材料在生物成像和催化领域的应用提供新策略。

　　

1 引言

近年来，新型微纳米碳材料的发现持续推动相关领域的发展。尽管空心碳纳米胶囊（HCNCs）和空心碳纳米花生（HCNPs）等材料已被广泛研究，但在合成方法学上仍缺乏可靠策略来制备具有前所未有形貌的碳材料。表面活性剂与盐类在协同作用下可聚集形成有序结构，这为合成形貌和尺寸多样的碳微纳米结构提供了新思路。本研究基于3-(N,N-二甲基十二烷基铵)丙磺酸盐（SB3-12）与氯化钠（NaCl）的固有相互作用，开发出一种可控制备分散性良好、粒径可控的碳微绣球（Carbon Micro-Embroidered Spheres, CEBs）的方法。

2 实验部分

2.1 材料

实验所用试剂SB3-12和NaCl均为分析纯，购自阿拉丁生化科技（上海）有限公司。实验用水为实验室自制超纯水（18.25 MΩ·cm），试剂未经纯化直接使用。

2.2 方法

将120 g固体NaCl加入100 mL不同浓度（20、25、30倍临界胶束浓度CMC）的SB3-12溶液中，在180°C、300 rpm搅拌下蒸发至NaCl完全干燥。将干燥混合物转入马弗炉，以5°C/min升温至700°C并保温2小时。冷却后用水溶解NaCl，碳悬浮液经220 nm滤膜过滤，60°C鼓风干燥获得CEBs，产率为15%。样品按SB3-12浓度命名为CEBs-x（x=20、25、30 CMC）。

2.3 表征

采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）表征形貌；X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析元素组成和化学键；拉曼光谱（Raman）和X射线衍射（XRD）评估结构特性；动态光散射（DLS）测定粒径分布；荧光光谱仪记录荧光特性。

3 结果与讨论

3.1 CEBs的微观形貌

TEM显示前驱体呈数百纳米的多边形形态。碳化后样品呈现开放多面体结构且具有空心特征，SEM进一步证实其为微米级碳材料，具有明显开口和极薄碳壳。DLS分析表明CEBs粒径随SB3-12浓度增加先增大后减小，平均直径分别为2.19 μm（20 CMC）、3.19 μm（25 CMC）和1.61 μm（30 CMC）。

3.2 CEBs的结构分析

拉曼光谱在1350 cm^?1（D带）和1580 cm^?1（G带）处出现特征峰，I_D/I_G比值从CEBs-20的0.80增至CEBs-30的0.98，表明缺陷密度随SB3-12浓度升高而增加。XRD显示（002）晶面衍射峰随浓度增加向低角度偏移（26.45°→26.12°），层间距d₀₀₂从0.3367 nm增至0.3409 nm，石墨化度（g）从84.88%降至36.05%，证实低浓度SB3-12更利于形成高度石墨化结构。

3.3 表面化学状态与元素分析

FT-IR显示所有样品在3435 cm^?1（N–H）、2922 cm^?1（C–H）、1623 cm^?1（C=O）和1078 cm^?1（C–N）处存在特征峰。XPS全谱证实材料含C、O、N、S元素，无NaCl残留。高分辨率C 1s谱显示283.86 eV（C–C）、290.13 eV（π–π*）和293.30 eV（C=O）组分；O 1s谱显示530.80 eV（C=O）和532.69 eV（C–O）；N 1s谱显示397.84 eV（吡啶氮）和400.38 eV（吡咯氮）；S 2p谱显示163.30 eV（S 2p_3/2）和164.55 eV（S 2p_1/2）。元素含量分析表明氧含量从2.14 at%（CEBs-20）增至2.75 at%（CEBs-30），氮含量从1.08 at%增至1.13 at%，而硫含量从2.77 at%降至1.39 at%。

3.4 CEBs形成机理分析

CEBs的形成源于SB3-12与NaCl的协同作用诱导的动态组装机制。加入NaCl后，SB3-12胶束聚集体解离并拉伸为微米级片层，这些片层遵循能量最低原则层层组装成绣球状聚集体。SB3-12浓度升高增强协同作用，使片层排列更紧密，导致CEBs尺寸先增后减。

3.5 CEBs的荧光特性分析

荧光光谱显示所有样品在380–450 nm（紫外发射）和450–475 nm（蓝光发射）范围内存在特征峰，且发射波长随激发波长红移（375–458 nm）。这种激发依赖性荧光行为归因于表面缺陷引起的多能级跃迁，宽光谱范围表明CEBs在光学和成像技术中具有应用潜力。

4 结论

通过SB3-12@NaCl自组装策略成功构建了具有光学特性（紫外和蓝光发射）且尺寸可调（1.5–3.5 μm）的碳微绣球。其形成机制源于表面活性剂与盐的协同作用，尺寸调控与协同作用强度密切相关。该合成策略为新型微纳米碳材料的动态合成提供了新途径。