前驱体结构调控策略制备碳点基多色室温磷光材料

doi:10.7503/cjcu20240412

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 20240412.doi: 10.7503/cjcu20240412

前驱体结构调控策略制备碳点基多色室温磷光材料

刘金坤¹, 冉准¹, 刘青青²(), 刘应亮¹, 庄健乐¹, 胡超凡¹()

^1.华南农业大学材料与能源学院, 生物基材料与能源教育部重点实验室/广东省光学农业工程技术研究中心, 广州 510642
^2.广东第二师范学院化学与材料科学学院, 广州 510303

收稿日期:2024-09-02 出版日期:2025-06-10 发布日期:2024-11-19
通讯作者: 刘青青,胡超凡 E-mail:lqingqing04@gdei.edu.cn;thucf@scau.edu.cn
基金资助:
广东省普通高校青年创新人才项目(2019KQNCX097);国家自然科学基金(12174119);广东省自然科学基金(2023A1515012003)

Preparation of Carbon Dot-based Multicolor Room-temperature Phosphorescent Materials via Precursor Structure Regulation Strategies

LIU Jinkun¹, RAN Zhun¹, LIU Qingqing²(), LIU Yingliang¹, ZHUANG Jianle¹, HU Chaofan¹()

^1.Key Laboratory for Biobased Materials and Energy of Ministry of Education/Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center for Optical Agriculture，College of Materials and Energy，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China
^2.College of Chemistry and Materials Science，Guangdong University of Education，Guangzhou 510303，China

Received:2024-09-02 Online:2025-06-10 Published:2024-11-19
Contact: LIU Qingqing, HU Chaofan E-mail:lqingqing04@gdei.edu.cn;thucf@scau.edu.cn
Supported by:
the Foundation for Young Talents in Higher Education of Guangdong Province, China(2019KQNCX097);the National Natural Science Foundation of China(12174119);the Natural Science Foundation of Guangdong Province, China(2023A1515012003)

1. ESM to 20240412.pdf(290KB)

摘要/Abstract

摘要：

提出了一种简单易行的前驱体分子结构调控策略, 以Al₂O₃作为基质，不同结构的小分子为有机前驱体, 通过原位煅烧法制备了磷光发射颜色覆盖可见光区的碳点基复合材料. 通过透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、 X射线衍射和X射线电子能谱表征证明了碳点生长在Al₂O₃基质内部. 荧光光谱测试结果表明, 4种CDs@Al₂O₃复合材料的磷光颜色分别为蓝色(454 nm)、绿色(520 nm)、橙色(572 nm)和红色(632 nm), 平均寿命分别为130.6, 293.6, 498.6和539.0 ms. 随着前驱体中π共轭度及含氧官能团数量的增加, 碳点激发态与基态之间的能隙变小, 引起磷光发射波长红移, 从而实现多色磷光发射的调控. 基于该材料多色室温磷光特性, 初步探究了其在防伪和信息加密方面的应用效果.

关键词: 碳点, 室温磷光, 长余辉, 氧化铝

Abstract:

In this paper， a simple precursor molecular structure regulation strategy was presented， and carbon dot-based composites with phosphorescent emission colors covering the visible light spectrum were prepared through an in situ calcination method using Al₂O₃ as a matrix and various small molecules as organic precursors. Transmission electron microscopy， Fourier-transform infrared spectroscopy， X-ray diffraction， and X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the successful growth of carbon dots within the Al₂O₃ matrix. Fluorescence spectroscopy tests indicated that the phosphorescent colors of the four CDs@Al₂O₃ composites were blue（454 nm）， green（520 nm）， orange（572 nm）， and red（632 nm）， with average lifetimes of 130.6， 293.6， 498.6， and 539.0 ms， respectively. The observed redshift in phosphorescent emission wavelength attributed to the decrease in the energy gap between the excited state and ground state of the carbon dots with increasing π-conjugation and number of oxygen-containing functional groups in the precursor， which achieved the modulation of multicolor phosphorescent emissions. Based on the multicolor room-temperature phosphorescent characteristics of this material， its applications in anti-counterfeiting and information encryption was preliminarily explored.

Key words: Carbon dots, Room temperature phosphorescence, Long afterglow, Al₂O₃

中图分类号:

O631

TrendMD:

刘金坤, 冉准, 刘青青, 刘应亮, 庄健乐, 胡超凡. 前驱体结构调控策略制备碳点基多色室温磷光材料. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240412.

LIU Jinkun, RAN Zhun, LIU Qingqing, LIU Yingliang, ZHUANG Jianle, HU Chaofan. Preparation of Carbon Dot-based Multicolor Room-temperature Phosphorescent Materials via Precursor Structure Regulation Strategies. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20240412.

图/表 8

Fig.1 TEM images of B⁃CDs@Al2O3(A), G⁃CDs@Al2O3(B), O⁃CDs@Al2O3(C) and R⁃CDs@Al2O3(D)

Fig.2 XRD patterns of B⁃CDs@Al2O3, G⁃CDs@Al2O3, O⁃CDs@Al2O3 and R⁃CDs@Al2O3

Fig.3 FTIR spectra of B⁃CDs@Al2O3, G⁃CDs@Al2O3, O⁃CDs@Al2O3 and R⁃CDs@Al2O3

Fig.4 Survey(A1—D1), C1s (A2—D2) and O1s (A3—D3) XPS spectra of B⁃CDs@Al2O3(A1—A3), G⁃CDs@Al2O3(B1—B3), O⁃CDs@Al2O3(C1—C3) and R⁃CDs@Al2O3(D1—D3)

Fig.5 Normalized afterglow spectra(A) and CIE coordinates(B) of B⁃CDs@Al2O3, G⁃CDs@Al2O3, O⁃CDs@Al2O3 and R⁃CDs@Al2O3

Fig.6 Afterglow emission spectra(A1—D1), room temperature lifetime decay curves(A2—D2), normalized UV⁃Vis absorption, phosphorescence excitation, fluorescence and phosphorescence emission spectra (A3—D3) of B⁃CDs@Al2O3(A1—A3), G⁃CDs@Al2O3(B1—B3), O⁃CDs@Al2O3(C1—C3) and R⁃CDs@Al2O3(D1—D3)

Fig.7 Photographs of B⁃CDs@B2O3, G⁃CDs@B2O3, O⁃CDs@B2O3 and R⁃CDs@B2O3 under and switching off UV lamp

Fig.8 Photographs of B⁃CDs@Al2O3, G⁃CDs@Al2O3 under daylight, before and after switching off 254 nm UV lamp, and photographs of O⁃CDs@Al2O3 under daylight, before and after switching off 365 nm UV lamp(A), patterns of anti⁃counterfeiting fabricated with the CDs@Al2O3 for advanced color⁃switching anti⁃counterfeiting(mushroom composed of B⁃CDs@Al2O3, G⁃CDs@Al2O3 and O⁃CDs@Al2O3(B), photographs of coding for data encryption under daylight, 365 nm UV light and after removing 365 nm UV light(the numbers “973” composed of B⁃CDs@Al2O3 and G⁃CDs@Al2O3)(C)

参考文献 40

1	Liu H. X.， Zhong X.， Pan Q.， Zhang Y.， Deng W. T.， Zou G. Q.， Hou H. S.， Ji X. B.， Coord. Chem. Rev.， 2024， 498， 215468
2	Ðorđević L.， Arcudi F.， Cacioppo M.， Prato M.， Nat. Nanotechnol.， 2022， 17（2）， 112—130
3	Sun Y. Q.， Liu S. T.， Sun L. Y.， Wu S. S.， Hu G. Q.， Pang X. L.， Smith A.， Hu C. F.， Zeng S. S.， Wang W. X.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 5591
4	Wareing T.， Gentile P.， Phan A.， ACS Nano， 2021， 15（10）， 15471—15501
5	Li W.， Zhou W.， Zhou Z. S.， Zhang H. R.， Zhang X. J.， Zhuang J. L.， Liu Y. L.， Lei B. F.， Hu C. F.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 131（22）， 7356—7361
6	Li J.， Zhou H.， Jin S.， Xu B.， Teng Q.， Li C. H.， Li J. S.， Li Q. J.， Gao Z. H.， Zhu C. F.， Adv. Mater.， 2024， 36（24）， 2401493
7	Geng B. J.， Hu J. Y.， Li Y.， Feng S. N.， Pan D. Y.， Feng L. Y.， Shen L. X.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 5735
8	Yu X. W.， Liu K. K.， Wang B. L.， Zhang H. Y.， Qi Y. Y.， Yu J. H.， Adv. Mater.， 2023， 35（6）， 2208735
9	Wang B. Y.， Lu S. Y.， Matter， 2022， 5（1）， 110—149
10	Ran Z.， Liu J. K.， Zhuang J. L.， Liu Y. L.， Hu C. F.， Small Methods， 2024， 8（1）， 2301013
11	Zhou S. J.， Wang F. X.， Feng N.， Xu A. X.， Sun X. F.， Zhou J.， Li H. G.， Small， 2023， 19（33）， 2301240
12	Lou Q.， Chen N.， Zhu J. Y.， Liu K. K.， Li C.， Zhu Y. S.， Xu W.， Chen X.， Song Z. J.， Liang C. H.， Adv. Mater.， 2023， 35（20）， 2211858
13	Xia C. L.， Zhu S. J.， Zhang S. T.， Zeng Q. S.， Tao S. Y.， Tian X. Z.， Li Y. F.， Yang B.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（34）， 38593—38601
14	Li Q. J.， Cheng D. K.， Gu H. L.， Yang D. Q.， Li Y. C.， Meng S.， Zhao Y. Y.， Tang Z. K.， Zhang Y. B.， Tan J.， Chem. Eng. J.， 2023， 462， 142339
15	Wang B. L.， Mu Y.， Zhang H. Y.， Shi H. Z.， Chen G. R.， Yu Y.， Yang Z. Q.， Li J. Y.， Yu J. H.， ACS Cent. Sci.， 2019， 5（2）， 349—356
16	Mo L. Q.， Liu H.， Liu Z. M.， Xu X. K.， Lei B. F.， Zhuang J. L.， Liu Y. L.， Hu C. F.， Adv. Opt. Mater.， 2022， 10（10）， 2102666
17	He Z. G.， Sun Y. D.， Zhang C.， Zhang J.， Liu S. J.， Zhang K.， Lan M. H.， Carbon， 2023， 204， 76—93
18	Zhang Y. Q.， Chen L.， Liu B.， Yu S. P.， Yang Y. Z.， Liu X. G.， Adv. Funct. Mater.， 2024， 34（25）， 2315366
19	Ding Z. Z.， Shen C. L.， Han J. F.， Zheng G. S.， Ni Q. C.， Song R. W.， Liu K. K.， Zang J. H.， Dong L.， Lou Q.， Small， 2023， 19（31）， 2205916
20	Wang B. Y.， Waterhouse G.， Lu S. Y.， Trends Chem.， 2023， 5（1）， 76—87
21	Kumari R.， Kumar A.， Negi K.， Sahu S.， ACS Appl. Nano Mater.， 2023， 6（2）， 918—929
22	Shi H. X.， Niu Z. J.， Wang H.， Ye W. P.， Xi K.， Huang X.， Wang H. L.， Liu Y. F.， Lin H. W.， Shi H. F.， An Z. F.， Chem. Sci.， 2022， 13（15）， 4406—4412
23	Tan J.， Yi Z. Z.， Ye Y. X.， Ren X. D.， Li Q. J.， J. Lumin.， 2020， 223， 117267
24	Patra A.， Dutta A.， Bhaumik A.， J. Hazard. Mater.， 2012， 201， 170—177
25	Sun W. X.， Zhang Y. Q.， Yin G. C.， Lu S. Y.， Adv. Funct. Mater.， 2024， 34（37）， 2402346
26	Liu Y. P.， Wang B. Z.， Zhang Y. S.， Guo J.， Wu X. Y.， OuYang D. F.， Chen S.， Chen Y. Q.， Wang S. P.， Xing G. C.， Adv. Funct. Mater.， 2024， 2401353
27	Ge W. Y.， Zhang P. F.， Zhang X. M.， Gao W. X.， Lu C. H.， Ge Y.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2021， 9（30）， 10220—10226
28	Ai L.， Song Z. Q.， Nie M. J.， Yu J. K.， Liu F. K.， Song H. Q.， Zhang B.， Waterhouse G.， Lu S.Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（12）， e202217822
29	Li C. C.， Zhao X. Y.， Li C.， Hu J. H.， Zhu J. Y.， Lou Q.， Chen N.， Song Z. J.， Chen X.， Pan G. C.， J. Alloys Compd.， 2023， 948， 169674
30	Arcudi F.， Đorđević L.， Prato M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 129（15）， 4234—4237
31	He J. L.， Chen Y. H.， He Y. L.， Xu X. K.， Lei B. F.， Zhang H. R.， Zhuang J. L.， Hu C. F.， Liu Y. L.， Small， 2020， 16（49）， 2005228
32	Song Z. J.， Liu Y. L.， Lin X. M.， Zhou Z. S.， Zhang X. J.， Zhuang J. L.， Lei B. F.， Hu C. F.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13（29）， 34705—34713
33	Wan Z. J.， Li Y. M.， Zhou Y. Z.， Peng D. P.， Zhang X. J.， Zhuang J. L.， Lei B. F.， Liu Y. L.， Hu C. F.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33（11）， 2207296
34	Han Y.， Li M.， Lai J. W.， Li W. T.， Liu Y. J.， Yin L. Q.， Yang L. Q.， Xue X. G.， Vajtai R.， Ajayan P.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2019， 7（24）， 19918—19924
35	Wang B. Y.， Wang H. W.， Hu Y. S.， Waterhouse G.， Lu S. Y.， Nano Lett.， 2024， 24（9）， 2904—2911
36	Liu J. K.， Luo Y. M.， Ran Z.， Wang F. L.， Sun M. H.， Luo Y. Y.， Zhuang J. L.， Zhang X. J.， Lei B. F.， Liu Y. L.， Hu C. F.， Chem. Eng. J.， 2023， 474， 145597
37	Zhou Z. S.， Song Z. J.， Liu J. K.， Lei B. F.， Zhuang J. L.， Zhang X. J.， Liu Y. L.， Hu C. F.， Adv. Opt. Mater.， 2022， 10（1）， 2100704
38	Wu Y. C.， Sun L. L.， Han H. H.， He X. P.， Cao W. G.， James T.， Chem. Sci.， 2024， 15（2）， 757—764
39	Liang P.， Zheng Y. H.， Zhang X. C.， Wei H. P.， Xu X. K.， Yang X. F.， Lin H. H.， Hu C. F.， Zhang X. J.， Lei B. F.， Nano Lett.， 2022， 22（13）， 5127—5136
40	Lu D.， Lu K.， Wen H. T.， Wei Z.， Bianco A.， Wang G. G.， Zhang H. Y.， Small， 2023， 19（31）， 2207046

[1]	陈奇丹, 陈冠吉, 游善媚, 臧欣瑶, 杨柏. 可用于防晒吸收剂的广谱抗紫外碳点的制备[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240313.
[2]	刘钰鹏, 杨钧翔, 郝一鸣, 曲松楠. 近红外吸收/发光碳点的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240070.
[3]	庞娥, 唐垣钰, 赵少静, 程强, 王晨, 陈健敏, 蓝敏焕. 乏氧激活化疗药物AQ4N与碳点自组装用于化疗联合声动力治疗肿瘤[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240489.
[4]	刘翼泽, 李鹏飞, 孙再成. 碳点发光机制与结构之间的构效关系[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250103.
[5]	杨春圆, 陈昊, 张攀, 李府赪, 袁伟雄, 郭佳壮, 王彩凤, 陈苏. 绿色荧光碳点的合成、荧光机制和图案化[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250093.
[6]	倪佳文, 黄遵辉, 宋天兵, 马千里, 何天乐, 张熙荣, 熊焕明. 利用固相合成的硼掺杂碳点调控锂负极的有序沉积[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240185.
[7]	李燕, 蔡皓, 毕红. 抗氧化碳点用于对乙酰氨基苯酚诱导的急性肝损伤的改善[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240130.
[8]	李逢时, 蒋凯, 童鑫园, 武永健, 林恒伟. 硼掺杂控制陷阱密度及能级实现碳点的余辉寿命调控与动态信息加密应用[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240545.
[9]	王长莹, 张大伟, 陈冠吉, 张镇威, 萧卫泓, 王斌, 陈奇丹, 杨柏. 碳点发光标记材料的制备及在水样中亚硝酸盐专一检测中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240519.
[10]	刘瀛琪, 王叶梅, 蒋恺, 郑芬芬, 朱俊杰. 基于细胞衍生荧光碳点的葡萄糖比色及荧光测定[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240386.
[11]	郝永梁, 李建, 王泽华, 葛介超. 基于红光碳点光敏剂的活性收缩水凝胶用于细菌感染的伤口愈合[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240409.
[12]	王欣, 王宇, 穆富茂, 闫翎鹏, 王振国, 杨永珍. 碳点在有机太阳能电池界面工程中的应用与展望[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240416.
[13]	潘卓涵, 艾琳, 卢思宇. 固态发光碳点的发光机理、合成与应用研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250081.
[14]	江霆杰, 曹珏然, 姚胜峰, 宋健, 李娜, 陈永颖, 李唯, 张浩然, 雷炳富. 菠菜基水溶红色荧光碳点的微波合成及Pb²⁺荧光检测性能[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250082.
[15]	郭丹, 黄耿鸿, 白惠洁, 王亚玲, 曹广群, 刘斌, 胡胜亮. 高荧光量子产率的CO₂衍生红光碳点的制备及应用[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250091.

前驱体结构调控策略制备碳点基多色室温磷光材料

Preparation of Carbon Dot-based Multicolor Room-temperature Phosphorescent Materials via Precursor Structure Regulation Strategies

RichHTML

PDF (PC)

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 40

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价