Small:碳点,非传统制备策略和非光致发光应用

传统意义上,碳点(C-dots)一般通过“自上而下”和“自下而上”的合成方法来获得。以石墨、碳纳米管和烟灰等为前驱体,采用“自上而下”的方法制备了各种荧光发射的C-dots。在这种方法中,类石墨材料通过电弧放电、激光烧蚀、酸性剥离和电化学氧化而断裂。将小于10纳米的产物分离收集,获得C-dots;以葡萄糖等有机小分子为前驱体,利用简单的水热法可以制备荧光C-dots,是一种“自下而上”的方法。此外,糖类、柠檬酸、氨基酸甚至生物分子都可以通过“自下而上”的策略获得C-dots。虽然“自上而下”和“自下而上”的策略制备的C-dots具有相似的发光性能,但它们的结构和性质存在一定的差异。一般来讲,“自上而下”策略得到的C-dots可以称为石墨烯量子点(GQDs),而“自下而上”策略得到的C-dots可以称为碳纳米点(CNDs)。通过对C-dots非传统制备策略的研究,发现GQDs也可以由分子前驱体制备,因此GQDs和CNDs需要根据其结构和性质进行重新定义,而不仅仅是前驱体。类石墨的核和含氧的壳层是GQDs的重要特征,而CNDs是无定形的,没有明显的核壳结构。因此,应该根据C-dots的化学、物理和光物理特性对其进行分类。

近期,南开大学尹学博教授在Small上发表综述,系统总结了近年来C-dots的非传统制备方法及其在电致化学发光、光伏转化、光催化、诊断治疗等领域的应用。作者详细探讨了C-dots具有双重功能。C-dots可分为核壳结构的GQDs和CNDs。核具有导带和价带,一旦光照射,电子跃迁就会导致电子/空穴对的形成。壳层具有电化学和化学活性。其电化学方面的活性实现了C-dots电化学发光,而其化学活性使C-dots易于功能化,适用于各种领域。C-dots的活性使其成为电化学发光的发射体和共反应物。在光催化领域,C-dots已被用作光敏剂和载流子。在光疗方面,C-dots的核的光捕获能力和光敏性,以及易于功能化的壳层,使其进行多模态成像和成像引导治疗成为可能。通过对C-dots核壳的物理化学性质的研究,以及对这些性质的合理设计,可以实现C-dots的广泛应用。最后,作者指出了C-dots研究所面临的挑战和机遇,包括:1)C-dots的形成机理尚不清楚;2)C-dots的光致发光与其他性质之间的关系尚不明确;3)对C-dots不同性质之间的机理、过程和关系仍知之甚少;4)C-dots表面功能化可以改善C-dots的有效的性质应用,以及将C-dots集成到多孔材料中可以作为多功能平台。

相关工作以 “Carbon Dots, Unconventional Preparation Strategies, and Applications Beyond Photoluminescence”为题在线发表在Small上(DOI: 10.1002/smll.201901803)。