Green Synthesis of Surface-Modified Carbon Quantum Dots from Biomass for Optical Sensing Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Um kulthom Alkaf's thesis final.pdf Restricted to Repository staff only until 8 June 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تم تحضير النقاط الكربونية من الألياف الكربونية المجسمة CF والنقاط الكربونية المطعمة بالبوليمر CFPمن ألياف نخيل التمر كمادة اشعاعية مستدامة لتطبيقات استشعار الأيونات المعدنية, تم الحصول على CFمن خلال عملية الكربنة المتحكم بها متبوعة بتنشيط بحمض النتريك بينما تم الحصول علىCFP من خلال بلمرة مشتركة في نفس الموقع بخطوة واحدة باستخدام كل من الأكريلاميد وحمض الأكريليك. أظهرت تقنيات التوصيف البنيوي والسطحي (TEM/SAED، SEM، XRD، FTIR، وXPS) تكوّن نقاط نانوية شبه كروية، إلى جانب تحسّن ملحوظ في التفعيل السطحي بعد تطعيم البوليمر. وبالمقارنة مع CF، أظهرت CFP زيادة كبيرة في شدة الانبعاث الضوئي (Photoluminescence) وثباته، وهو ما يُعزى إلى تأثير تمرير السطح بواسطة البوليمر. أظهرت دراسات الاستشعار الفلوري لمجموعة واسعة من الأيونات أنماط انتقائية مميزة؛ حيث أظهر CF النقي استجابة تفضيلية لأيونات المغنيسيوم (Mg²⁺)، بينما أظهر CFP كفاءة عالية وانتقائية متميزة في إخماد الفلورية تجاه أيونات الكروم سداسي التكافؤ (Cr⁶⁺) والحديد الثلاثي (Fe³⁺)، مع اعتماد واضح على التركيز ضمن المجال (1–1000 جزء في المليون). ما كشفت قياسات اللمعان الزمني (Time-resolved photoluminescence) عن زيادة في زمن عمر الانبعاث لعينات CF بوجود Mg²⁺، في حين سُجّل انخفاض واضح في زمن العمر لعينات CFP عند إضافة Fe³⁺ وCr⁶⁺، مما يدل على أن آلية الإخماد تُحكم أساسًا بتفاعلات التنسيق بين الفلز والليجاند، بالإضافة إلى انتقال الإلكترونات المحفَّز ضوئيًا.

English Abstract

Graphitized carbon fiber–derived carbon dots (CF) and polymer-grafted carbon dots (CFP) were synthesized from date palm leaf fibers as sustainable fluorescent materials for metal-ion sensing. CF was produced via controlled carbonization and nitric-acid activation, while CFP was obtained through one-pot in situ copolymerization of acrylamide and acrylic acid. Structural and surface characterization (TEM/SAED, SEM, XRD, FTIR, and XPS) confirmed the formation of quasi-spherical nanodots and significant surface functionalization after polymer grafting. Compared with CF, CFP exhibited markedly improved photoluminescence intensity and stability, consistent with polymer passivation of surface. Fluorescence sensing studies against a broad panel of ions revealed distinct selectivity patterns: pristine CF displayed preferential response toward Mg²⁺, whereas CFP showed outstanding and highly selective fluorescence quenching toward Cr⁶⁺ and Fe³⁺ with concentration-dependent behavior (1–1000 ppm). Time-resolved PL demonstrated lifetime enhancement for CF in the presence of Mg²⁺ and strong lifetime reduction for CFP in the presence of Fe³⁺ and Cr⁶⁺, indicating quenching dominated by metal–ligand coordination and photoinduced electron transfer. Density functional theory supported preferential binding of Mg²⁺ to carbonyl sites in CF and stronger electronic coupling of CFP with Cr⁶⁺ relative to Fe³⁺, correlating with the experimentally observed quenching efficiency. Finally, machine learning models trained on 113 experimental datapoints achieved up to 97% test accuracy for classifying sensing outcomes, enabling rapid prediction of quenching behavior from fluorescence features. Overall, this work demonstrates a scalable waste-to-value route for tailoring carbon-dot surface chemistry to achieve selective metal sensing.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Thesis Advisor:	Tawfik Awadh,
Thesis Committee Members:	Ahmad Al-harbi, Ali Shaikh Asrof,
Depositing User:	UM KULTHOM AL-KAF
Date Deposited:	09 Jun 2026 06:04
Last Modified:	09 Jun 2026 06:04
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144535