前驱体平均官能度和交联增强发射效应对碳化聚合物点固态发光性能的影响

doi:10.7503/cjcu20250325

摘要/Abstract

摘要：

碳化聚合物点（CPDs）作为碳点的重要分支，因其独特的亚荧光基团与类聚合物结构，在固态发光材料领域展现出优异的性能及加工成型优势. CPDs外壳中的亚荧光基团因聚合物组分的存在避免了π-π相互作用的产生，从而有效缓解了聚集导致的猝灭现象. 因此， CPDs是一种理想且具有发展潜力的高效固态发光材料. 为实现CPDs的高效固态发光，本文以线性聚丙烯酸与不同官能度的有机小分子作为共同前驱体制备了系列CPDs. CPDs外层的聚合物分子链对荧光中心起到了隔离和分散作用，有效抑制了聚集诱导猝灭效应，保障了固态发光性能. 基于交联增强发射机理，系统研究了前驱体平均官能度对CPDs发光性能的影响. 结果表明，随着前驱体官能度和交联度的增加， CPDs的荧光量子产率和室温磷光寿命显著提升，实现了对固态发光性能的有效增强.

关键词: 碳化聚合物点, 碳点, 固态发光, 交联增强发射效应, 前驱体官能度

Abstract:

Carbonized polymer dots（CPDs）， as an important branch of carbon dots， have demonstrated remarkable performance and processing and molding advantages in the field of solid-state luminescent materials due to their unique sub-fluorescent groups and polymer-like structures. Specifically， the sub-fluorescent groups in the shell of CPDs avoid the generation of π-π interactions due to the presence of polymer components， thereby effectively suppressing the quenching caused by aggregation. Therefore， CPDs are ideal and highly efficient solid-state luminescent materials with development potential. To achieve efficient solid-state luminescence of CPDs， a series of CPDs was prepared using linear polyacrylic acid and organic small molecules of different functionalities as co-precursors through a hydrothermal process. The polymer molecular chain on the outer layer of CPDs isolates and disperses the fluorescence center， effectively suppressing the aggregation-caused quenching effect and ensuring the solid-state luminescence performance. Based on the crosslink-enhanced emission effect， the influence of the average functionality of co-precursors on the luminescence performance of CPDs was systematically studied. The results show that with the increase of the functionality and crosslinking degree of the precursors， the fluorescence quantum yield and

room-temperature phosphorescence lifetime of CPDs are significantly enhanced， effectively improving the solid-state luminescence performance.

Key words: Carbonized polymer dots, Carbon dots, Solid-state luminescence, Crosslink-enhanced emission effect, Functionality of precursor

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 15

Fig.1 PL spectra of CPDs⁃NH2 aqueous solution(A), CPDs⁃2NH2 aqueous solution(B)， CPDs⁃3NH2 aqueous solution(C), CPDs⁃NH2 powder(D), CPDs⁃2NH2 powder(E) and CPDs⁃3NH2(F) powder

Fig.2 PL decay curves of CPDs⁃NH2(A), CPDs⁃2NH2(B) and CPDs⁃3NH2(C) powder

Table 1 PL lifetime of CPDs-NH2， CPDs-2NH2 and CPDs-3NH2 powder

Sample	τ₁/ns	Percent（%）	τ₂ /ns	Percent（%）	τ_Avg/ns
CPDs⁃NH₂	1.65	58.62	7.61	41.38	4.12
CPDs⁃2NH₂	3.19	68.53	9.56	31.47	5.19
CPDs⁃3NH₂	3.31	57.56	10.00	42.44	6.15

Fig.3 Photographs at different delay time after UV irradiation of CPDs⁃NH2, CPDs⁃2NH2 and CPDs⁃3NH2 powder

Fig.4 Time⁃resolved RTP emission spectra of CPDs⁃NH2(A), CPDs⁃2NH2(B) and CPDs⁃3NH2(C) powder

Fig.5 RTP decay curves of CPDs⁃NH2(A), CPDs⁃2NH2(B) and CPDs⁃3NH2 powder(C) and temperature⁃ dependent phosphorescence decay curves of CPDs⁃NH2(D), CPDs⁃2NH2(E) and CPDs⁃3NH2(F) powder

Table 2 RTP lifetime of CPDs-NH2， CPDs-2NH2 and CPDs-3NH2 powder

Sample	τ₁/ms	Percent（%）	τ₂/ms	Percent（%）	τ₃/ms	Percent（%）	τ_Avg/ms
CPDs⁃NH₂	21.12	22.96	120.50	44.98	422.50	32.06	194.50
CPDs⁃2NH₂	69.51	16.90	273.50	54.21	717.40	28.90	367.34
CPDs⁃3NH₂	70.78	10.41	309.20	50.47	891.90	39.12	512.33

Fig.6 TEM and HRTEM(insets) images of CPDs⁃NH2(A), CPDs⁃2NH2(B) and CPDs⁃3NH2(C) and size distribution histograms of CPDs⁃NH2(D), CPDs⁃2NH2(E) and CPDs⁃3NH2(F)

Table 3 Elemental analysis of CPDs-NH2， CPDs-2NH2 and CPDs-3NH2

Sample	Mass fraction（%）
Sample	C	O	H	N
CPDs⁃NH₂	48.57	45.14	5.89	0.40
CPDs⁃2NH₂	49.10	43.50	6.09	1.31
CPDs⁃3NH₂	48.39	42.99	6.29	2.33

Fig.7 FTIR spectra(A) and partially enlarged FTIR spectra(B) of CPDs⁃NH2(a), CPDs⁃2NH2(b), and CPDs⁃3NH2(c)

Fig.8 XPS spectra ofCPDs⁃NH2(a), CPDs⁃2NH2(b), and CPDs⁃3NH2(c)

Fig.9 C1s (A—C), O1s (D—F) and N1s (G—I) high⁃resolution XPS spectra of CPDs⁃NH2(A, D, G) CPDs⁃2NH2(B, E, H) and CPDs⁃3NH2(C, F, I)

Fig.10 C=O peak in C1s (A) and O1s (B) high⁃resolution XPS spectra of CPDs⁃NH2, CPDs⁃2NH2 and CPDs⁃3NH2

Fig.11 DSC thermograms of CPDs⁃NH2(a), CPDs⁃2NH2(b) and CPDs⁃3NH2(c)

Fig.12 Time⁃resolved multistage information encryption application display of CPDs with different RTP lifetimes

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