Nano Select:桂林理工大学覃爱苗教授团队与中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员综述|生物质碳点的最新研究进展

近期,桂林理工大学材料科学与工程学院覃爱苗教授团队与中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员合作在Nano Select上发表题为“Recent advances of biomass carbon dots on syntheses,characterization, luminescence mechanism, and sensing applications”的综述文章。该文章从生物质碳点的合成、表征、发光机制、传感应用以及猝灭机制的角度进行了系统的综述。

新型准零维材料碳量子点是2-20 nm之间的球状半导体材料,因其表面效应和量子限域效应等具备很多其他二维和一维材料所不具备的优势,因此在生物、医药和新型半导体器件等领域具有潜在的应用价值。但目前研究人员更多地关注材料的性能和应用,从而忽视了碳源本身的成本、毒性和污染。生物质碳源(如:柠檬汁、头发、糖蜜)来源丰富,在制造业尤其是食品工业中却常被作为废弃物处理,若将此作为碳源,不仅减少了焚烧填埋对环境造成的不可逆污染,而且具备大规模生产低成本高质量碳点的潜力。

文章从植物及其衍生物、动物及其衍生物和城市废弃物三方面分别综述了生物质碳点的尺寸、量子产率以及发光颜色等并在文中进行了系统的对比,对目前合成生物质碳点的常见方法(包括水热法、溶剂热法、化学氧化法和热分解法)及其各自优缺点也进行了详细讨论。揭示了碳源和生物质碳点的结构和成分(包括尺寸、结晶度、杂原子和表面基团)对生物质碳点光致发光的影响。文章指出,更小的碳点尺寸将导致波长趋向于蓝移,可以根据量子限域效应,通过调节生物质碳点的尺寸进而达到对荧光发光颜色的粗调的效果;结晶度越好表明生物质碳点有更完整的sp2共轭结构,且体系的共轭度越大,越有利于荧光的发射;由于生物质碳源不像小分子碳源那样可以精确定量某一组分的含量,因此在量子产率方面会稍逊色于用小分子合成的碳点。但是某些生物质碳点可以实现自掺杂来进一步改善荧光性能;同时指出π-π *跃迁类型和给电子基团(如-OH和-NH2)相比于n-π *跃迁和吸电子基团(-COOH和-NO2)更有利于生物质碳点荧光的发射。此外,文章从表面态发光、量子限域效应发光以及荧光小分子发光等发光机制以及动态猝灭、静态猝灭、共振能量电子转移、光诱导电子转移和内滤效应等猝灭机制进行了系统论述。

生物质碳点近十年发展进程图

生物质碳点的光致发光调节示意图

近些年来尽管对生物质碳点的研究已取得巨大进步,但是仍有一些瓶颈存在。目前生物质碳点的合成还处于实验室阶段,离工业化生产尚有距离。现在还没有严格可行的实验方案来进一步阐明碳点的微观结构与荧光性能之间的关系,因此生物质碳点的发光机理尚未得到到充分证实。实现多组分特异性识别检测的技术还需进一步的研究和探索。作者希望通过这篇文章可以为研究者们提供更多的思路。

该工作发表在Nano Select(DOI: 10.1002/nano.202000232)上。