化工學(xué)院青年教師劉禹杉在國際高水平期刊《Nano Today》上發(fā)表綜述型論文

近日，我?；瘜W(xué)與化工學(xué)院青年教師劉禹杉在國際高水平期刊《Nano Today》（影響因子：17.4）上發(fā)表題為“Recent advances of biomass-derived carbon dots with room temperature phosphorescence characteristics”的綜述型論文。我校青年教師劉禹杉為論文第一作者，東北林業(yè)大學(xué)劉守新教授及牛力博士為共同通訊作者，陜西科技大學(xué)為第一通訊單位，該論文的發(fā)表極大地提高了我校在生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)領(lǐng)域的國際影響力。

室溫磷光材料由于在室溫下有著相對較長的余輝時(shí)間，在防偽加密、數(shù)據(jù)存儲、光電器件、生物成像等諸多方面顯示出日益增長的重要作用。目前報(bào)道的室溫磷光材料較少且局限于有機(jī)金屬配合物和純有機(jī)化合物。然而，這些材料一直飽受合成成本高、生物毒性大及制備方法復(fù)雜等詬病，極大地限制了應(yīng)用。相比之下，碳點(diǎn)的合成簡便、成本低廉、生物相容性高、光穩(wěn)定性強(qiáng)，尤其是表現(xiàn)出更多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和更好的發(fā)光可調(diào)諧性，有望成為下一代室溫磷光材料的主力軍之一。然而，當(dāng)前室溫磷光碳點(diǎn)大多以有機(jī)化學(xué)品為原料合成，長此以往勢必會加劇資源消耗，危害生態(tài)環(huán)境。因此，迫切需要尋找可再生的替代物制備室溫磷光碳點(diǎn)。生物質(zhì)作為自然界中儲量豐富的可再生資源，具有天然芳香結(jié)構(gòu)和較多的羥基、羧基、氨基基團(tuán)，在構(gòu)筑室溫磷光碳點(diǎn)中具有應(yīng)用潛力。其雜原子自摻雜性能也有利于構(gòu)筑碳點(diǎn)的共軛碳核及室溫磷光活性位點(diǎn)（C=O/C=N）。此外，生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)還解決了生物廢棄物的利用問題，降低了生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了碳的可持續(xù)發(fā)展。盡管，生物質(zhì)碳點(diǎn)的室溫磷光特性目前已經(jīng)取得了重大研究進(jìn)展，但尚未發(fā)表任何綜述型論文對其進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)。

本綜述基于本人及所在課題組近年來在: Advanced Materials 2020, 2000596, ACS Nano 2020, 4, 11130-11139, Matter 2022, 5, 2864-2881, Chinese Chemical Letters 2022, 33, 783-787, ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 32, 36628-36638, Chemical Engineering Journal 2021 413, 127457, Journal of Colloid and Interface Science 2019, 539, 332-341, Sensors & Actuators: B. Chemical 2019, 281, 34-43，Carbon 2021, 171, 946-952. Engineered Science 2018, 4, 111-118, ChemSusChem 2018, 11, 11-24. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2019, 7, 18801-18809, Analytica Chimica Acta 2019, 1090, 133-142，Talanta 2020, 210, 120649, Progress in Chemistry 2018, 30 (4), 349-364等期刊上發(fā)表的相關(guān)工作，總結(jié)了生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成、發(fā)光機(jī)理、性質(zhì)調(diào)控、合成方法和潛在應(yīng)用，以期為生物質(zhì)高值化利用及室溫磷光材料的研究提供理論基礎(chǔ)及參考價(jià)值，以下為論文部分插圖：

生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的發(fā)光調(diào)控機(jī)制

生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的常見制備原料

自保護(hù)生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的構(gòu)筑

基質(zhì)輔助生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的構(gòu)筑

總結(jié)與展望

由于生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)具有成本低、制備簡單、低毒、生物相容性高等優(yōu)勢，尤其表現(xiàn)出更多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和更好的發(fā)光可調(diào)諧性，有望成為下一代室溫磷光材料的主力軍之一。本綜述系統(tǒng)地回顧了生物質(zhì)如何轉(zhuǎn)化為室溫磷光碳點(diǎn)，以及它們的組成結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域，建立了生物質(zhì)原料、碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)及組成之間的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)了生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的發(fā)光調(diào)控機(jī)制。

生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)分為自保護(hù)室溫磷光碳點(diǎn)和無基質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)兩種類型，其光學(xué)性能受合成策略的影響，尤其是制備方法、原料種類、雜原子摻雜（氮、磷、氧、硼和鹵素等）及復(fù)合基體等方面。應(yīng)用范圍可拓展到安全防偽、信息加密、分析傳感、生物成像及發(fā)光二極管等領(lǐng)域。盡管，生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的發(fā)展在短期內(nèi)取得了長足的進(jìn)步，但其在構(gòu)筑及應(yīng)用方面仍然面臨著以下挑戰(zhàn)。

1 合成策略的挑戰(zhàn)

目前，大部分生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的合成原料均為檸檬酸、氨基酸、維生素和碳水化合物等有價(jià)值的生物質(zhì)分子衍生物，這些生物質(zhì)可以更好地用于其他領(lǐng)域。理想情況下，未來，生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的合成原料應(yīng)更多的發(fā)展為廉價(jià)的生物質(zhì)廢物或其他低值的、未被充分利用的天然材料。揭示生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的形成機(jī)制并建立碳點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)與功能之間的對應(yīng)關(guān)系至關(guān)重要，以期控制制備具有特定余輝性能的生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)，從而滿足不同的應(yīng)用需求。生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)可以通過在微波、水熱/溶劑熱或高溫?zé)峤膺^程中加熱生物質(zhì)前驅(qū)體制備，在此過程中，大量的前驅(qū)體將發(fā)生團(tuán)聚并轉(zhuǎn)化為非磷光性碳聚集體，致使生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的產(chǎn)率降低。另外，由于制備原料的多樣及復(fù)雜性，生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的純化過程相對復(fù)雜且制備重復(fù)率較低。未來，研究人員應(yīng)優(yōu)化反應(yīng)條件，尋找更合適的純化方法，以合成高質(zhì)量的生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)。在原料選擇方面，應(yīng)選擇分子組成易于控制的生物質(zhì)，有利于系統(tǒng)地探索生物質(zhì)碳點(diǎn)的室溫磷光起源。目前，生物質(zhì)碳點(diǎn)通常復(fù)合單一基質(zhì)來誘導(dǎo)室溫磷光，未來，生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)應(yīng)嘗試多組分復(fù)合，即結(jié)合聚合物、有機(jī)和無機(jī)化合物三種基質(zhì)，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，同時(shí)控制室溫磷光顏色、延長壽命、提高量子效率。

2 室溫磷光性能的挑戰(zhàn)

未來，具有小時(shí)級余輝壽命材料的開發(fā)備受期待。生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的量子效率和壽命應(yīng)進(jìn)一步提高。在碳點(diǎn)內(nèi)部及外部構(gòu)筑穩(wěn)固的剛性結(jié)構(gòu)將有利于延長發(fā)光壽命并提高量子效率?；|(zhì)輔助生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的剛性通常由外部作用力決定，例如氫鍵、共價(jià)鍵和有機(jī)-無機(jī)雜化相互作用等，其可以有效穩(wěn)定磷光三重態(tài)激子。尤其是生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)與基質(zhì)之間的橋聯(lián)可以為復(fù)合材料提供顯著的耐水性。無基質(zhì)輔助（自保護(hù)）室溫磷光碳點(diǎn)來源于“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”機(jī)制，碳點(diǎn)中高度交聯(lián)的炭化聚合物結(jié)構(gòu)，可以模擬外加基質(zhì)作用，穩(wěn)固激發(fā)三重態(tài)，促進(jìn)生物質(zhì)碳點(diǎn)的室溫磷光發(fā)射。目前，大部分生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的發(fā)射均集中在短波長區(qū)域（藍(lán)光到綠光），將室溫磷光發(fā)射拓展到600 nm以上的長波長區(qū)域仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。對于生物醫(yī)藥應(yīng)用來說，藍(lán)光和綠光的波長較短，難以穿透深層組織以進(jìn)行光學(xué)成像。此外，目前生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的吸收波長范圍較窄，光捕獲能力有限，擴(kuò)大其吸收范圍將增強(qiáng)光子的吸收性能，從而優(yōu)化生物質(zhì)室溫磷光點(diǎn)在光催化和太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用。生物質(zhì)碳點(diǎn)室溫磷光發(fā)光顏色的調(diào)控可以通過電子轉(zhuǎn)移及雜原子摻雜兩種途徑實(shí)現(xiàn)。如果生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)和基質(zhì)的能級與激發(fā)三重態(tài)一致，則能量從高三重態(tài)能級到低三重態(tài)能級的轉(zhuǎn)移可導(dǎo)致長波長室溫磷光發(fā)射的產(chǎn)生。雜原子摻雜將引入多重雜化軌道，從而輕松調(diào)控三重態(tài)能級，獲得具有多種發(fā)光顏色的生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)。另外，上述策略還有助于延長室溫磷光壽命。

3 應(yīng)用的挑戰(zhàn)

目前，生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的應(yīng)用多集中在安全防偽和信息加密上。未來，新的應(yīng)用還需要進(jìn)一步開發(fā)。例如，由于生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的生物相容性高于由傳統(tǒng)化學(xué)品合成的碳點(diǎn)，因此它們可能是生物發(fā)光標(biāo)記物的良好替代品。應(yīng)拓展生物質(zhì)室溫磷光碳點(diǎn)的生物醫(yī)藥應(yīng)用，例如藥物輸送、光動力治療、骨組織工程和體內(nèi)生物成像等。此外，通過將生物質(zhì)碳點(diǎn)的室溫磷光性能與其他常見的光物理特征（如上轉(zhuǎn)換發(fā)光、圓偏振發(fā)光和光熱轉(zhuǎn)換）相結(jié)合，將拓展其在近紅外成像、液晶顯示、光誘導(dǎo)海水淡化和相變儲能領(lǐng)域中的應(yīng)用。

新聞小貼士：

劉禹杉，工學(xué)博士，2022年6月畢業(yè)于東北林業(yè)大學(xué)林產(chǎn)化學(xué)加工工程專業(yè)，師從“長江學(xué)者”劉守新教授，就讀期間于德國哥廷根大學(xué)Kai Zhang教授課題組聯(lián)合培養(yǎng)1年，同年9月入職于陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，當(dāng)前主要從事于生物質(zhì)碳基光電功能材料的構(gòu)筑及應(yīng)用方面的研究。近年來，主持陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目、中國兵器工業(yè)集團(tuán)北化研究院青創(chuàng)項(xiàng)目、中央高校基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目3項(xiàng)；參與國家重點(diǎn)研究計(jì)劃、國家工信技術(shù)支撐項(xiàng)目中央軍委裝備發(fā)展部裝備項(xiàng)目、中央高?；A(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目4項(xiàng)；在國際知名期刊發(fā)表SCI論文20余篇，其中以第一作者在Nano Today，Chem，Chemical Engineering Journal，ACS Applied Materials & Interfaces，及Carbohydrate Polymers等國際高水平期刊上發(fā)表論文12篇，最新累計(jì)影響因子為125.2，H指數(shù)18。申請國家發(fā)明專利5件。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102257

（核稿：黃文歡 編輯：劉倩）