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。目前報道的室溫磷光材料較少且局限于有機金屬配合物和純有機化合物。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，碳點的合成簡便、成本低廉、生物相容性高、光穩(wěn)定性強，尤其是表現(xiàn)出更多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和更好的發(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)前室溫磷光碳點大多以有機化學(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。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)筑碳點的共軛碳核及室溫磷光活性位點（C=O/C=N）。此外，生物質(zhì)室溫磷光碳點還解決了生物廢棄物的利用問題，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了碳的可持續(xù)發(fā)展。盡管，生物質(zhì)碳點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)室溫磷光碳點的結(jié)構(gòu)組成、發(fā)光機理、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)及參考價值，以下為論文部分插圖：

生物質(zhì)室溫磷光碳點的發(fā)光調(diào)控機制

生物質(zhì)室溫磷光碳點的常見制備原料

自保護(hù)生物質(zhì)室溫磷光碳點的構(gòu)筑

基質(zhì)輔助生物質(zhì)室溫磷光碳點的構(gòu)筑

總結(jié)與展望

由于生物質(zhì)室溫磷光碳點具有成本低、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，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)室溫磷光碳點的發(fā)光調(diào)控機制。

生物質(zhì)室溫磷光碳點分為自保護(hù)室溫磷光碳點和無基質(zhì)室溫磷光碳點兩種類型，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)室溫磷光碳點的合成原料應(yīng)更多的發(fā)展為廉價的生物質(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)室溫磷光碳點的形成機制并建立碳點的組成結(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，從而滿足不同的應(yīng)用需求。生物質(zhì)室溫磷光碳點可以通過在微波、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。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)碳點的室溫磷光起源。目前，生物質(zhì)碳點通常復(fù)合單一基質(zhì)來誘導(dǎo)室溫磷光，未來，生物質(zhì)室溫磷光碳點應(yīng)嘗試多組分復(fù)合，即結(jié)合聚合物、有機和無機化合物三種基質(zhì)，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，同時控制室溫磷光顏色、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)室溫磷光碳點的量子效率和壽命應(yīng)進(jìn)一步提高。在碳點內(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。基質(zhì)輔助生物質(zhì)室溫磷光碳點的剛性通常由外部作用力決定，例如氫鍵、共價鍵和有機-無機雜化相互作用等，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)）室溫磷光碳點來源于“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”機制，碳點中高度交聯(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)碳點的室溫磷光發(fā)射。目前，大部分生物質(zhì)室溫磷光碳點的發(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)室溫磷光碳點的吸收波長范圍較窄，光捕獲能力有限，擴大其吸收范圍將增強光子的吸收性能，從而優(yōu)化生物質(zhì)室溫磷光點在光催化和太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用。生物質(zhì)碳點室溫磷光發(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現(xiàn)。如果生物質(zhì)室溫磷光碳點和基質(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。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)室溫磷光碳點的生物相容性高于由傳統(tǒng)化學(xué)品合成的碳點，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)研究計劃項目、中國兵器工業(yè)集團(tuán)北化研究院青創(chuàng)項目、中央高?；A(chǔ)研究計劃項目3項；參與國家重點研究計劃、國家工信技術(shù)支撐項目中央軍委裝備發(fā)展部裝備項目、中央高校基礎(chǔ)研究計劃項目4項；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）