绿色荧光碳点的合成、 荧光机制和图案化

doi:10.7503/cjcu20250093

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 20250093.doi: 10.7503/cjcu20250093

绿色荧光碳点的合成、荧光机制和图案化

杨春圆, 陈昊, 张攀, 李府赪, 袁伟雄, 郭佳壮(), 王彩凤, 陈苏()

南京工业大学化工学院，材料化学工程全国重点实验室，南京 210009

收稿日期:2025-03-31 出版日期:2025-06-10 发布日期:2025-05-21
通讯作者: 陈苏 E-mail:JZGJZGuo@163.com;chensu@njtech.edu.cn
作者简介:郭佳壮，男，博士，讲师，主要从事碳点的合成及应用方面的研究. E-mail： JZGJZGuo@163.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFC2104600);中国博士后科学基金会博士后项目(GZC20231112);江苏高校优势学科建设工程（PAPD）资助

Synthesis， Fluorescence Mechanism and Patterning of Green-emissive Carbon Dots

YANG Chunyuan, CHEN Hao, ZHANG Pan, LI Fucheng, YUAN Weixiong, GUO Jiazhuang(), WANG Caifeng, CHEN Su()

State Key Laboratory of Materials?Oriented Chemical Engineering，College of Chemical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China

Received:2025-03-31 Online:2025-06-10 Published:2025-05-21
Contact: CHEN Su E-mail:JZGJZGuo@163.com;chensu@njtech.edu.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2022YFC2104600);the Postdoctoral Fellowship Program of CPSF, China(GZC20231112);the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions, China(PAPD)

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摘要/Abstract

摘要：

以水杨酸和乙二胺为前驱体，经过水热法处理并利用透析与柱色谱纯化，制备了具有绿色荧光的碳点（G-CDs1）. G-CDs1的发射波长为518 nm，荧光量子产率为22.3%. 结构表征结果表明， G-CDs1具有石墨化碳核和丰富的表面官能团（—OH， —COOH和—NH₂等）. 进行了对比实验，即通过水热处理水杨酸，得到了具有蓝色荧光的碳核，再与乙二胺反应，也得到了绿色荧光碳点（G-CDs2）. 通过对比发现， G-CDs2与G-CDs1具有一致的荧光特性和结构特征，从而揭示了“碳核-荧光团”协同发光机制：乙二胺通过缺陷钝化或表面反应生成绿色荧光团，与碳核共同贡献荧光. 基于此，进一步开发了G-CDs1/聚乙烯吡咯烷酮（G-CDs1/PVP）荧光油墨复合材料，并实现了图案化打印，所打印的图案具有明亮的绿色荧光. 该研究为碳点的可控合成、荧光机理和功能化应用研究提供了更多的理论基础.

关键词: 碳点, 绿色荧光, 水杨酸, 荧光机制, 图案化打印

Abstract:

In this study， green-emissive carbon dots（G-CDs1） were prepared using salicylic acid and ethylenediamine as precursors through a hydrothermal method， followed by purification via dialysis and column chromatography. G-CDs1 exhibited an emission wavelength of 518 nm and a photoluminescence quantum yield（PLQY） of 22.3%. Structural characterization revealed that G-CDs1 possess a graphitic carbon core and abundant surface functional groups（—OH， —COOH， —NH₂）. Comparative experiments were designed： first， blue-emissive carbon cores were obtained by hydrothermally treating salicylic acid alone； then， these cores were reacted with ethylenediamine to produce green-emissive carbon dots（G-CDs2）. Comparative analysis showed that G-CDs2 and G-CDs1 shared identical fluorescence properties and structural features， revealing a “carbon core-fluorophore” synergistic emission mechanism， where green-emissive fluorophores were generated through defect passivation or surface reaction with ethylenediamine， jointly contributing to the fluorescence emission together with the carbon core. Consequently， a G-CDs1/polyvinylpyrrolidone（PVP） fluorescent ink composite was developed， enabling printed patterns with bright green fluorescence. This research contributes to the development of controllable synthesis， fluorescence mechanism， and applications of carbon dots.

Key words: Carbon dots, Green fluorescence, Salicylic acid, Fluorescence mechanism, Patterned printing

中图分类号:

O657.3

TrendMD:

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. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20250093.

YANG Chunyuan, CHEN Hao, ZHANG Pan, LI Fucheng, YUAN Weixiong, GUO Jiazhuang, WANG Caifeng, CHEN Su. Synthesis， Fluorescence Mechanism and Patterning of Green-emissive Carbon Dots. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20250093.

图/表 5

Fig.1 Schematic diagram of the preparation process of G⁃CDs1 and photographs of G⁃CDs1 under daylight(Vis) and 365 nm ultraviolet(UV) light(right)(A), PL intensity and PLQYs(inset) of G⁃CDs1 in aqueous solution prepared with different molar ratios of salicylic acid to ethylenediamine(B), different reaction temperature(C) and different reaction time(D)

Fig.2 Absorption(Abs), PL excitation(Ex) and PL emission(Em) spectra of G⁃CDs1(A), PL emission spectra of G⁃CDs1 measured from different excitation wavelengths(B), PL emission spectra of blank(black line) and G⁃CDs1 (red line) used for measuring the PLQY(C), time⁃resolved fluorescence decay curve of G⁃CDs1, the data were collected at an emission peak of 518 nm(λex=445 nm)(D), PL spectra(E) and intensity variation(F) of the G⁃CDs1 as a function of pH

Fig.3 TEM and high⁃resolution TEM image(A), particle size distribution(B), XRD pattern(C), FTIR spectrum(D), XPS survey(E), and high⁃resolution XPS C1s (F), N1s (G), and O1s (H) spectra of G⁃CDs1

Fig.4 Schematic diagram of the preparation process of G⁃CDs2(A), Abs and Em spectra of blue PL emissive CDs(insets： photographs of blue PL emissive CDs in water under Vis and 365 nm UV light)(B), Abs, Ex and Em spectra of G⁃CDs2(insets: photographs of G⁃CDs2 in water under Vis and 365 nm UV light)(C), PL emission spectra of G⁃CDs2 measured from different excitation wavelengths(D), FTIR spectrum of G⁃CDs2(E), the proposed evolutionary process of G⁃CDs1 and the relationship between green⁃emitting fluorophore and G⁃CDs1(F)

Fig.5 Schematic illustration of the 3D spinning printing process(A), photographs of the printed patterns taken under Vis and 365 nm UV light(B), schematic illustration of the handwriting process using G⁃CDs1/PVP fluorescent ink(C), photographs of handwriting patterns taken under Vis and 365 nm UV light(D, E)

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