Synthesis, Purification, Photoluminescence Mechanisms and Energy Applications of Biomass-Derived Carbon Dots

Abstract

La generación de puntos de carbono (CDs) a partir de biomasa es una gran oportunidad para aprovechar los residuos de biomasa mediante metodologías sencillas y económicas, sin embargo, la estructura química y los mecanismos de fotoluminiscencia de este tipo de nanopartículas aún no se encuentran completamente descritos y siguen siendo objeto de debate en la comunidad científica. En este estudio, se sintetizaron CDs mediante un proceso hidrotermal asistido por microondas a partir de la fracción lignocelulósica de cáscara de naranja colectada en San Luis Potosí. Los CDs se purificaron mediante un proceso de separación secuencial con membranas de distinta porosidad (0.22 µm, 0.1 µm, 100, 50 y 5 kDa), el cual fue diseñado específicamente para este material con base a estudios de la descomposición de la lignina y la celulosa y a la estimación del peso molecular de los CDs en correspondencia con el diámetro de partícula esperado. Las suspensiones derivadas de cada etapa de purificación se caracterizaron mediante distintas técnicas (FTIR, TPD-MS, DLS, UV-Vis, y espectroscopía de fotoluminiscencia), lo que permitió evidenciar la presencia de subproductos y su influencia en las características fisicoquímicas, coloidales y ópticas de los CDs. Adicionalmente, se analizaron a mayor profundidad las características texturales, de química superficial y el comportamiento coloidal en función de la concentración del material en suspensión de la fracción más purificada de los CDs. Dichos análisis, en conjunto con la caracterización de la emisión de fotoluminiscencia de suspensiones de CDs a distintas concentraciones y la deconvolución de los espectros correspondientes, permitieron explicar los procesos de interacción y transferencia de energía que ocurren entre las partículas en suspensión. Finalmente, los CDs generados demostraron su capacidad para sensibilizar celdas solares de tercera generación. La presencia de CDs en el fotoánodo de las celdas incrementó su eficiencia en comparación con aquellas construidas con fotoánodos prístinos de FTO-TiO2.

The generation of carbon dots (CDs) from biomass is a great opportunity to take advantage of biomass waste using simple and economical methodologies. However, the chemical structure and photoluminescence mechanisms of this type of nanoparticles have not yet been fully described and remain under debate in the scientific community. In this study, CDs were synthesized using a microwave-assisted hydrothermal process from the lignocellulosic fraction of orange peel collected in San Luis Potosí. The CDs were purified using a sequential separation process with membranes of different porosity (0.22 µm, 0.1 µm, 100, 50, and 5 kDa), which was specifically designed for this material based on studies of lignin and cellulose decomposition and the estimation of the molecular weight of CDs in correspondence with the expected particle diameter. The suspensions derived from each purification stage were characterized using different techniques (FTIR, TPD-MS, DLS, UV-Vis, and photoluminescence spectroscopy), which revealed the presence of by-products and their influence on the physicochemical, colloidal, and optical characteristics of the CDs. In addition, the textural characteristics, surface chemistry, and colloidal behavior were deeply analyzed as a function of the concentration of the material in suspension (for the most purified fraction of the CDs). These analyses, together with the characterization of the photoluminescence emission of CDs suspensions at different concentrations and the deconvolution of the corresponding spectra, allowed us to explain the interaction and energy transfer processes that occur between the particles in suspension. Finally, the CDs generated demonstrated their capacity to sensitize third-generation solar cells. The presence of CDs in the photoanode of the cells increased their efficiency compared to those constructed with pristine FTO-TiO2 photoanodes.