基于聚集调控的多色碳纳米点荧光粉

doi:10.7503/cjcu20240407

摘要/Abstract

摘要：

以柠檬酸和尿素为原料， N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，采用溶剂热法制备了具有浓度依赖性的荧光碳纳米点. 用去离子水对碳纳米点原液进行不同倍数的稀释，发现随着稀释倍数的增加，碳纳米点之间的能量传递逐渐减弱，其荧光颜色逐渐从红色转为蓝色，发射强度逐渐增强. 使用层析分离技术研究了浓度对碳纳米点荧光发射特性的影响，结果表明，碳纳米点原液具有不同荧光颜色的碳纳米点组分，碳纳米点之间的福斯特共振能量转移和吸收再发射的能量传递导致不同浓度碳纳米点溶液荧光发射的变化. 基于此，以淀粉为限域基质，通过调节基质中碳纳米点的浓度，实现了多色碳纳米点荧光粉的精确调控. 研究结果为碳纳米点的光学调控提供了新思路，为其在荧光标记和显示技术等领域的应用提供了可能性.

关键词: 碳纳米点, 多色, 荧光, 聚集调控, 荧光粉

Abstract:

Carbon nanodots（CDs） with concentration-dependent fluorescence were synthesized with citric acid and urea as precursors in N，N-dimethylformamide through solvothermal strategy. The CDs solution was diluted with deionized water at various ratios. The energy transfer between the CDs particles gradually weakened when the dilution ratio increased， leading to a shift in fluorescence color from red to blue and an enhancement in emission intensity. A systematic investigation on the concentration effects on the fluorescence emission properties of CDs were conducted with a chromatography separation techniques， revealing that the as-prepared CDs solution contained the multicolor components and the fluorescence variations in CDs solutions were attributed to Förster resonance energy transfer and reabsorption energy transfer. Thus， the precise regulation of multicolor CDs phosphors was further achieved with the starch as confined matrix to regulate the energy transfer between CDs. These findings present a new strategy to regulate the optical properties of CDs and pave a new insight the applications of fluorescence labeling and display technology.

Key words: Carbon nanodots, Multicolor, Fluorescence, Aggregation regulation, Phosphors

中图分类号:

O613.71

TrendMD:

赖晓南, 沈成龙, 单崇新. 基于聚集调控的多色碳纳米点荧光粉. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240407.

LAI Xiaonan, SHEN Chenglong, SHAN Chongxin. Aggregation Regulation-assisted Multicolor Carbon Nanodots Fluorescent Phosphor. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20240407.

图/表 5

Fig.1 Synthesis and characterization of the CDs（A） Systhesis route of CDs；（B） photos of the CDs solution under sunlight and 365 nm UV lamp； TEM image（C）， XRD pattern（D） and Raman spectrum（E） of CDs；（F） full XPS survey； high-resolution XPS spectra of C1s （G）， N1s （H）， and O1s （I） of CDs， respectively. Inset of （C）： size distribution of CDs.

Fig.2 Concentration⁃dependent fluorescent CDs solution（A） Schematic illustration of the dilution for the CDs solution；（B） the fluorescence emission of the CDs solution under different excitation wavelength；（C） the fluorescence emission of the CDs solution after different dilution under 365 nm excitation；（D—I） the fluorescence emission of the CDs solution after different dilution under different excitation wavelength.

Fig.3 Separation and characterization of the different CDs（A） Separation of b-CDs， g-CDs and r-CDs with column chromatography；（B） fluorescence emission spectra of r-CDs， g-CDs and b-CDs under 365 nm excitation；（C） UV-Vis absorption spectra of r-CDs， g-CDs and b-CDs，（D—F） TEM images and the corresponding particle size distribution of r-CDs， g-CDs and b-CDs， respectively；（G—I） fluorescence emission spectra of r-CDs， g-CDs and b-CDs， respectively.

Fig.4 Characterization and mechanism of the fluorescent CDs（A） TEM image of the concentrated CDs solution；（B） fluorescence emission spectra of the ×10 and ×10000 diluted CDs solution under 365 nm excitation；（C） fluorescence decay of the ×10 and ×10000 diluted CDs solution under 365 nm excitation；（D—F） schematic illustration of the aggregated CDs under different dilution and the energy transfer mechanism between different CDs under different dilution.

Fig.5 Synthesis and characterization of the CDs phosphors（A—F） The pictures of CDs phosphors under 365 nm UV light and fluorescence emission spectra of different CDs phosphors under different excitation；（G） schematic illustration of the structure of CDs⁃based LED；（H） the picture and normalized fluorescence emission spectra of CDs⁃based LED；（I） Commission Internationale de L’Eclairage （CIE） coordinate of the CDs⁃based LED.

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