碳点的设计合成、 结构调控及应用

doi:10.7503/cjcu20200659

摘要/Abstract

摘要：

碳点是一类环境友好且性能独特的纳米粒子, 在光电转换、生物医学、催化及储能等领域的研究日益活跃. 碳点主要分为碳量子点(CQDs)、石墨烯量子点(GQDs)和碳化聚合物点(CPDs), 其中CPDs作为一种新型碳点, 具有合成原料广泛、碳化程度及共轭结构可调且材料相容性好等优点. 本文综合评述了近年来碳点尤其是CPDs的合成方法; 阐述了通过选择前驱体分子、控制反应条件及掺杂原子等手段实现对其碳化和共轭程度、晶格和能级结构的调控, 从而建立碳点及其杂化与复合材料微纳结构与性能之间的关系; 最后, 介绍了碳点在生物标记与成像、光(电)催化、光电转换及储能等领域的应用, 并对碳点领域的发展前景进行了展望.

关键词: 碳化聚合物点, 构效关系, 碳点

Abstract:

Carbon dot（CD） is a kind of environmental friendly nanoparticles that have attracted much interests in the field of photoelectric materials， catalysis and biomedicine， etc. As a novel kind of CDs， carbonized polymer dots（CPDs） possess lots of active sites， controllable conjugated structure and good compatibility， showing great potential. In this review， the synthetic approaches and characterization ways are summarized， including how to establish the relationship between precursor structure， micro-nano structure of CPDs as well as their properties through introducing hybrid atoms， and tuning the groups and active sites， as well as defects on the surface of CPDs， the carbonized procedure， crystal structure， conjugated degree and energy levels. The applications of the CPDs and their hybrid and composites in photo（electro） catalysis， photo-electric conversion and energy storage are introduced. At last， the issues to be addressed and the prospective of carbon dots are proposed.

Key words: Carbonized polymer dots, Structure-function relationship, Carbon dots

中图分类号:

O634

TrendMD:

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图/表 21

Fig.3 Representation of the covalent?bond, supramolecular?interaction, or/and rigidity?aggregated crosslink?enhanced emission(CEE) effect in non?conjugated polymer dots or polymers[17]Copyright 2015, John Wiley & Sons, Inc.

Table 1 Effect of different reaction temperautures on the properties of CPDs

CPDs^*	Morphology	PL peak/nm	PLQY
CPDs100	Annular polymer dots	489	6.6%
CPDs200	Amorphous spherical dots	437	46.7%
CPDs300	Graphilic carbongenic dots	434	89.6%

Fig.5 High?resolution XPS of N1s(A—C) and Raman spectra(D) of CPDs, field?dependent magnetization(M?H curve) at 5 K(red line) and 300 K(black line) for CPDs300(E) and scheme showing different bonding configurations of nitrogen in N?doped graphene(F)[23](A) CPDs100; (B) CPDs200; (C) CPDs300; (E) the inset is the magnified view of the low?field region.Copyright 2018, John Wiley & Sons, Inc.

Fig.7 Characterizations of carbonized polymerized dots[13](A) Corresponding photographs at different delay time after UV irradiation; (B) RTP decay spectra; (C) UV?Vis absorption spectra; (D) FTIR spectra; (E) XPS survey spectra. Copyright 2018, John Wiley & Sons, Inc.

Fig.8 Composition, hybrid and properties of carbon dots[44](A) Schematic illustration of the preparation of N?C@Co NPs electrocatalysts[20]; (B) cross?sectional SEM image of the MAPbI3 solar cell; (C) current density versus voltage of the MAPbI3 solar cells with and without CDs; (D) incident photon?to?current efficiency(IPCE) spectra of MAPbI3 solar cells with(blue symbols) and without(black symbols) the CDs layer.(A) Copyright 2019, American Chemical Society; (B—D) Copyright 2020, John Wiley & Sons, Inc.

Fig.9 Bio?imaging applications of CPDs with NIR emissions[8](A) Scheme of the prepraration CPDs; (B—D) TEM, HRTEM and fast Fourier transform image of CPDs, respectively. Copyright 2017, John Wiley & Sons, Inc.

Fig.10 Preparation and polymer charaterizaions of CPDs with deep?red emission[50](A) Synthetic route; (B) DSC curves; (C) In vivo imaging of supine nude mice with intravenous injection of CPDs; (D) two?photon bioimaging of CPDs; (E) viscosity analysis.Copyright 2020, John Wiley & Sons, Inc.

Fig.12 Application of CPDs in electrocatalyst[53](A) Schematic illustration of the synthesis and structure of the RuCo@CD catalyst; (B—E) theory simulations on the properties.Copyright 2020, Royal Society of Chemistry.

Fig.15 Photocatalysis properties of carbon dots?based materials[21](A) UV?Vis DRS and digital photographs(insets) of CCNS and CNB; (B) Tauc plots of transformed Kubelka?Munk function versus photon energy for the calculation of bandgap; (C, D) Mott?Schottky plots with various frequencies of CCNS(C) and CNB(D); (E) VB?XPS spectra; (F) schematic illustration of band structure alignments.Copyright 2020, John Wiley & Sons, Inc.

Fig.16 Efficiency optimization and performance comparison of CA?PASA CPDs with other electron?transfer materials[58](A) Rate of H2 evolution on Pt/MAPbI3/CA?PASA CPDs with different CPD contents; (B) solar?to?hydrogen(STH) conversion efficiencies of previous MHP photocatalysts; (C) rate of H2 evolution on MAPbI3/TiO2?Pt, MAPbI3/graphene, MAPbI3/BP, MAPbI3/Ni3C, and their CA?PASA CPD?hybrid systems.Copyright 2020, Royal Society of Chemistry.

Fig.20 Electrochemical performance of carbon dots?based materials used in Li?S batteries[64](A, B) The electrochemical impedance spectra of the PEI?CDots@AB/S cathode(A) and the AB/S cathode(B) at different discharge depth; (C) illustration of the promoted Li+ transfer at the cathode/electrolyte interface by the PEI?CDots; (D, E) CV curves of the PEI?CDots@AB/S cathode(D) and the AB/S cathode(E) recorded at the scan rate from 0.1 to 1.1 mV/s between 1.5 and 3 V; (F) Li+ diffusion coefficients comparison between the PEI?CDots@AB/S and AB/S cathodes.Copyright 2019, John Wiley & Sons, Inc.

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