Small:碳点在能源转换应用领域的研究进展(从光电器件到电催化)

随着化石燃料的大量消耗以及随之而来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题,基于能源转换技术开发绿色可持续的能源逐渐成为全球社会发展的共同主题。石墨、金刚石、碳纳米管、石墨烯和碳点(carbon dots, CDs)等碳纳米材料稳定性好、强度高、比表面积大、来源丰富,给材料科学和能源转换技术带来了巨大变革。与其他碳基纳米材料如石墨、碳纳米管和石墨烯相比,CDs表现出独特的优势,包括可调的光致发光、原材料来源和制备方法多种多样、丰富的表面(边缘)位点、优异的电子给体-受体特性,以及低成本和简单温和的制备工艺。更重要的是,与二维石墨烯不同,CDs是一种小于10纳米的零维带隙碳材料,在较宽的波长范围内具有很强的吸收能力,且具有明亮且易于调节的光致发光。此外,CDs还表现出与石墨烯类似的良好导电性。CDs可分为碳量子点(CQDs)、石墨烯量子点(GQDs)和碳化聚合物量子点(CPDs)。因其独特的结构和优异的光学和电学特性,碳点在能源转换应用领域吸引了广泛的研究兴趣。

强吸收、上下转换光致发光、电子给体-受体特性以及良好电子导电性使CDs在光电器件中具有巨大的应用潜力:作为太阳能电池中光吸收材料的电子受体和吸光增强剂,以及充当增强电荷提取和传输的界面修饰剂;明亮的光致发光性、容易调节的发光颜色及良好的电子导电性使得CDs在高性能发光二极管(LEDs)中有着广阔的应用前景。此外,富裕且易于调控的结构缺陷以及优异的电子转移和传输能力为电催化应用提供了独特的优势,CDs可在电催化中发挥以下作用:1)较大的比表面积可以为中间物种的吸附-解离和界面反应提供丰富的结合位点和密切的界面接触;2)丰富的表面(边缘)位点为调节催化剂的电子结构提供了潜力;3)CDs可以作为载体提高电荷转移(运输)和催化剂稳定性,甚至降低贵金属的负载量。4)CDs据报道还可作为模板或氧化-还原剂来调控催化剂的形貌和组成。

该综述介绍了CDs的形貌、化学结构和理化性质,阐述了各种自上而下和自下而上制备CDs的方法,重点阐述了CDs基材料在光电器件(发光二极管和太阳能电池)和电催化能量转换应用的进展。相关的电催化反应涉及析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧气还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)等。作者从碳点结构和性质的角度详细阐明了CDs增强相关能源转换应用性能的机制。最后,对基于CDs的能量转换应用中尚存在的一些挑战和未来的展望进行了讨论。

作者相信,该综述将会提升研究者在碳点的合成、性质和能源转换应用的认知水平,并对碳纳米材料在能源转换领域应用的进一步发展提供新的思路。相关论文以“Recent Advances in Energy Conversion Applications of Carbon Dots: From Optoelectronic Devices to Electrocatalysis”为题在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202001295 )上。