Advanced Functional Materials:给氮化碳纳米片安一个固定的家

多环芳烃(PAHs)广泛存在于大气、水、土壤等我们生活的每一个角落,工业工艺过程、不完全燃烧和食品加工等过程都有可能产生PAHs,它们是重要的环境和食品污染物,其中部分还具有强烈的致癌性。环境中的PAHs一般保持在一个较低的浓度水平,然而近年来,随着人类生产活动的加剧,局部环境中的PAHs显著增加。因此,发展快速、灵敏和高选择性PAHs检测方法对于环境监测和治理具有重要的意义。

原子层的二维材料(单层或者数层,厚度在若干纳米到少于一纳米)不同于体相材料,具有优异的电子和光学性能,在能源转换与存储、光催化到传感等诸多领域都引起了广泛关注。这其中,有机半导体氮化碳聚合物,由于分子结构易于调控、具有优异的发光性能和较为明晰的带隙发光行为,成为为数不多的以半导体发光性质见长的二维材料,有望作为环境友好的荧光探针用于多环芳烃的检测。然而,由于氮化碳较强的层间氢键和范德华作用力,氮化碳很难溶解或分散在常见溶剂中,良好剥离的氮化碳纳米片也只能在适中浓度的溶剂中稳定一段时间,该缺陷已成为制约氮化碳发光传感应用的首要因素。

近日,东南大学的张袁健课题组通过共沉淀法制备了一种氮化碳荧光传感器。该方法利用聚甲基丙烯酸中的羧酸根与氮化碳纳米片缺陷氨基间的静电相互作用,使得氮化碳纳米片均匀地分散在该高分子固体基质当中,进而达到长期稳定和分散氮化碳纳米片的目的。由于聚甲基丙烯酸本身不吸收可见光、不与激发态氮化碳发生电子和能量交换,聚甲基丙烯酸-氮化碳纳米片复合物保留了氮化碳优异的发光性能。同时结合冷冻干燥策略,该聚甲基丙烯酸-氮化碳纳米片复合物具有多尺度微纳分级孔道结构,充分保证了与外界物质能够进行有效的传质。进一步在复合物中引入β环糊精高选择性识别PAHs分子,利用PAHs对氮化碳荧光的高效静态猝灭效应,制备了纸基氮化碳荧光传感器,实现了土壤中PAHs的快速和高选择性检测,灵敏度可与实验室大型分析测试仪器相媲美。将氮化碳纳米片的分散介质由传统溶液相变革为多尺度微纳分级固相基质,将会为氮化碳二维材料的发光传感研究打开一扇窗户,并为基于原子层二维材料解决人类环境和健康问题提供新的思路。 相关论文结果以“Harnessing Photoluminescent Properties of Carbon Nitride Nanosheets in a Hierarchical Matrix”为题,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201905576)上。