碳量子点上转换材料的制备及其应用研究进展

发布时间：2021-02-09 12:44

　　碳量子点（CQD）具有化学惰性,生物相容性和低毒性等优势,可能在能源、生物医药等领域得到广泛的应用. CQD可通过表面被聚合物（例如PEG）钝化而表现出很强的光致发光特性.在生物成像,疾病检测和药物输送中使用表面钝化后的功能化生物分子更为有效.并且碳材料由于其优异的电化学性能还展现出在催化、电子器件等许多领域广泛的应用前景.我们将对近年来碳量子点发光材料的研究进行总结,并讨论碳量子点在能源、环境和其他一些领域的应用. 

【文章来源】：分子催化. 2020,34(02)北大核心

【文章页数】：15 页

【部分图文】：

碳量子点的发现[10-11]

CQD通常是准球形或片状的纳米颗粒, 包含有无定形的纳米晶核, 它们主要是石墨或涡轮复层碳(sp2碳)或石墨烯, 通过类金刚石sp3杂化碳插入物融合而形成的氧化石墨烯片(图2)[12-13]. CQD表面有许多羧基部分, 这些羧基部分使其展现出出色的水溶性和适合的化学反应性, 可用于进一步官能化, 并与各种有机聚合物、 无机或生物材料形成表面钝化基团. 表面官能化不仅能够调控其在水性和非水性溶剂中的溶解度, 而且可使其荧光特性得到增强[14]. 碳量子点同时具有下转换与上转换发光的性能, 相应发光机理如下.2.1 下转换光致荧光发光(PL)

GQD的下转换荧光发光机制被认为是由表面/边缘状态的共轭π域引起的[16-17]. Lin等 [16]通过剥落和分解石墨薄片制备了大约20 nm具有明显的单层和清晰锯齿形边缘的GQD, 在锯齿形边缘的三碳烯中产生了一个新打开的带隙, 对应于三碳烯中从最高占据分子轨道(HOMO)到σ, 到最低空分子轨道(LUMO)到π轨道的过渡. 这种PL机理是由之字形边缘的三重卡宾态决定的, 而不是由量子限制效应决定的(图3a). Xu等 [17]也使用单粒子光谱测量来研究了GQD的PL行为, 如图3b所示, 他们认为是通过π-π*跃迁的光激发电子弛豫为sp2能级或缺陷态, 从而产生蓝色PL. 由于sp2碳域内电子的量子限制效应, 蓝色发射可能具有离散的特征. 长波长发射与含氧官能团(在边缘和/或在基面上)和石墨烯核的杂化结构有关. 尽管颗粒之间的大小和层数存在明显差异, 但所有研究的GQD都具有几乎相同的光谱线形状和峰位置, 表明这些GQD的PL是由其表面状态引起的.另外, 对于CQD, 通常认为是在紫外光的激发下, 电子由HUMO跃迁至LUMO的过程实现的. 相关研究也表明碳量子点的这种PL特性随尺寸的不同会发生变化. Li等[18]通过理论计算得出碳量子点 HOMO-LUMO能隙对CQD片段大小具有依赖性(见图4), 随着片段大小的增加, 能隙逐渐减小, 而不同尺寸的CQD具有不同的发光性能, 发射光谱随着尺寸的变小而发生蓝移. 由此发现CQD的PL特性来自量子尺寸的材料结构本身, 而不是碳氧表面. 并且通过表面钝化降低了表面缺陷态而引起的电子辐射复合, 可以有效提高量子产率.


本文编号：3025648