Hydrothermale Synthese blau- und grün-emittierender Kohlenstoff-Quantenpunkte aus Tofu-Abwasser

Zusammenfassung

Wir berichten über eine einfache hydrothermale Methode zur Herstellung fluoreszierender Kohlenstoff-Quantenpunkte (CQDs) aus Tofu-Produktionsabwasser. Zwei CQD-Varianten wurden erhalten: CQDs-1, synthetisiert in deionisiertem Wasser, emittieren blaue Fluoreszenz unter UV-Licht, während CQDs-2, hergestellt in NaOH-Lösung, grünes Licht emittieren. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigt, dass der wesentliche Unterschied in der Oberflächenchemie liegt – CQDs-1 enthalten höhere Konzentrationen von C-O- und C=O-Gruppen, während CQDs-2 durch die NaOH-Behandlung mit Carboxylfunktionalitäten angereichert sind. Photolumineszenz (PL)-Studien bestätigen die unterschiedlichen Emissionsfarben und geben Aufschluss über die Rolle der Oberflächenzustände. Mit einem Quantenausbeute von 54,49 % für CQDs-1 demonstriert dieser Ansatz einen nachhaltigen Weg zu leistungsstarken CQDs bei gleichzeitiger Verwertung eines gängigen Lebensmittelverarbeitungs-Abfallstroms.

Hintergrund

Tofu, ein Grundnahrungsmittel der asiatischen Küche, wird heute industriell in großem Maßstab produziert und erzeugt große Mengen an Abwasser, das reich an Soja-Gelbserum ist. Dieser Abfluss, der Kohlenhydrate, Proteine, organische Säuren und Pigmente enthält, stellt Umweltprobleme dar, repräsentiert aber auch eine wertvolle Kohlenstoffquelle für die Nanomaterialsynthese. Kohlenstoff-Quantenpunkte (CQDs) sind sub-20-nm-Kohlenstoff-Nanopartikel, die exzellente Wasserlöslichkeit, chemische Inertheit, geringe Toxizität und Biokompatibilität mit halbleiterartigen elektronischen Strukturen kombinieren, was sie für optische und biomedizinische Anwendungen attraktiv macht. Konventionelle CQD-Synthese basiert auf Top-down- oder Bottom-up-Strategien mit diversen Vorläufern; jüngste Arbeiten haben Biomasse (z. B. Weizenstroh, Orangensaft) als nachhaltige Kohlenstoffquellen hervorgehoben. Unsere Studie adaptiert den hydrothermalen Weg – bekannt für seine Einfachheit und Skalierbarkeit –, um Tofu-Abwasser in CQDs umzuwandeln, was einen doppelten Nutzen aus Abfallreduktion und Nanomaterialproduktion ermöglicht.

Methoden

Abwasser wurde aus dem Tofu-Industriepark, Kreis Shi Ping, Yunnan, China, entnommen. Das Protokoll umfasste: (i) Pyrolyse von 300 ml Gelbserum bei ~93 °C für 3–5 h bis zur Bildung eines trockenen Rückstands; (ii) Abkühlung auf Raumtemperatur und Zugabe von 50–200 ml deionisiertem Wasser (für CQDs-1) oder 100 ml NaOH-Lösung (pH ≈ 12,4) (für CQDs-2); (iii) 4 min Rühren gefolgt von 5 min Ultraschallbehandlung; (iv) Zentrifugation bei 12 000 min^-1 für 20 min zur Isolierung des CQD-haltigen Überstands. Variationen in Temperatur, Zeit und pH wurden genutzt, um die optischen Eigenschaften der CQDs zu justieren. CQDs-1 erscheinen dem bloßen Auge gelb, fluoreszieren aber blau unter UV, während CQDs-2 grün fluoreszieren.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologie und Größe. Hochauflösende TEM-Bilder (Abb. 1) zeigen, dass beide CQD-Varianten monodisperse, kugelförmige Nanopartikel mit Durchmessern von 2–10 nm sind; die mittlere Größe beträgt 3,5–5,5 nm und ein Gitterabstand von ~0,21–0,22 nm bestätigt graphitische Ordnung.

Oberflächenchemie. Vollspektrum-XPS-Spektren (Abb. 2) bestätigen das Vorhandensein von C, N, O und geringen Mengen S, P (CQDs-1) bzw. Na, Cl (CQDs-2). Hochaufgelöste C-1s-Spektren (Abb. 3) zeigen, dass CQDs-1 C-C/C=C (284,7 eV), C-O (286,1 eV) und C=O (287,9 eV) Bindungen enthalten, während CQDs-2 ein zusätzliches COOH-Peak (289,1 eV) aufweisen. Der reduzierte C-O/C=O-Gehalt in CQDs-2 resultiert aus hydroxid-vermittelter Oberflächenpassivierung, was die Emission zu längeren Wellenlängen verschiebt.

Photolumineszenz. PL-Spektren (Abb. 4) zeigen, dass CQDs-1 hellblaues Licht mit maximaler Intensität bei ~410 nm Anregung emittieren, während CQDs-2 grünes Licht emittieren, mit Maximum bei ~480 nm Anregung. Das Emissionsmaximum verschiebt sich mit steigender Anregungswellenlänge zu längeren Wellenlängen, was darauf hindeutet, dass Oberflächenzustände, nicht größenabhängiger Quantenkonfinement, das PL-Verhalten dominieren. Der höhere Stickstoffgehalt (8,5 % vs. 6,8 %) in CQDs-1 fördert die radiative Rekombination durch zusätzliche Oberflächenzustände und erklärt dessen überlegene Quantenausbeute (54,49 %) im Vergleich zu CQDs-2.

Emissionsmechanismus. Die Daten stützen ein oberflächenzustands-vermitteltes Rekombinationsmodell: photoangeregte Elektronen relaxieren nicht-radiativ in Oberflächenzustände (C-O, C=O, COOH) und rekombinieren anschließend radiativ mit Löchern im Valenzband. Das Vorhandensein zweier distinkter Oberflächenzustände in CQDs-1 erklärt sein breiteres, duales PL-Spektrum, während der einzelne COOH-dominierte Zustand in CQDs-2 eine schmalere, grüne Emission liefert.

Schlussfolgerungen

Diese Studie demonstriert, dass Tofu-Abwasser, ein leicht verfügbares und umweltproblematisches Nebenprodukt, über einen einfachen hydrothermalen Prozess in hochwertige CQDs verwertet werden kann. Die resultierenden blau- und grün-emittierenden CQDs zeigen einstellbare Photolumineszenz, gesteuert durch Oberflächenchemie, mit einer Quantenausbeute über 50 % für die blaue Variante. Der Ansatz bietet einen nachhaltigen, kostengünstigen Weg für die großtechnische CQD-Produktion, der potenziell Anwendungen in Bioimaging, Sensorik und Optoelektronik vorantreibt. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Erweiterung des Emissionsspektrums in den roten Bereich durch weitere Anpassung der Oberflächenfunktionalisierung konzentrieren.