碳点是一类新兴的零维碳纳米光学材料, 在众多领域备受关注. 近红外光相比于可见光具有更深的组织穿透能力和更低的散射, 在生物成像等领域优势明显. 随着科研人员的探索, 碳点发光带隙的调控从最初的蓝紫光向长波长不断红移. 近年来, 近红外波段吸收/发光的碳点也相继被报道. 本文以本课题组在近红外碳点领域的一系列工作为基础, 总结评述了近红外碳点的制备策略及多方面应用的最新进展, 并对未来的发展方向进行了展望.
以CO2和三羟甲基丙烷三缩水甘油醚为起始原料, 通过环加成反应制备了具有五元环状碳酸酯结构的三羟甲基丙烷基五元环碳酸酯(TPTE). 在此基础上, 以TPTE和邻苯二胺为前驱体, 乙醇为溶剂, 采用溶剂热法合成了量子产率达38%的红色荧光碳点(R-CDs). 结构表征结果表明, 所得R-CDs的平均粒径为9.41 nm, 其碳核呈现高度石墨化特征, 表面富含羟基和氨基等活性官能团. 光学性能测试结果显示, 在乙醇溶液中R-CDs展现出明显的激发独立特性, 其荧光峰呈现三重峰, 峰位分别为599, 648和702 nm, 其最佳激发波长位于 535 nm, 对应荧光寿命为6.46 ns. 通过理论计算与光谱分析证实, 该发光特性源于碳核内扩展的π共轭体系诱导的π→π* 电子跃迁. 值得注意的是, 当与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合时, R-CDs的紫外吸收和荧光发射特性未发生显著变化, 表明PVP基体与R-CDs间未产生明显的电子相互作用. 基于其优异的光学性能, 将R-CDs/PVP复合物作为荧光粉, 与360 nm紫外LED芯片集成构建了红光发光器件. 所制备LED器件的CIE色坐标(0.42, 0.21)精确落入红光区域, 展现出良好的单色性. 本研究通过将CO2有效转化为功能化环碳酸酯前驱体, 实现了CO2向高附加值碳材料的高效间接固定, 为温室气体资源化利用提供了创新思路. 这种集高量子产率荧光材料开发与碳减排技术于一体的研究策略, 在光电器件和绿色化学领域均具有重要应用价值.
防晒吸收剂是防晒产品中的关键物质， 是吸收紫外线的有效成分. 然而， 传统的有机和无机吸收剂都存在未知的人体健康及环境危害、 稳定性和水溶性差以及紫外吸收波长范围较窄等问题， 因此， 研发环境友好的广谱抗紫外防晒吸收剂材料对于防晒产品的开发具有重要意义. 碳点材料因其化学稳定性好、 光学性能优异、 制备方法简单、 成本低及环境友好等优点而展示出良好的应用前景. 本文首先以盐酸多巴胺及邻苯二胺、 柠檬酸及尿素为原料， 通过简单水热法制备并提纯出UVB和UVA吸收碳点材料(分别命名为 O-CDs和A-CDs)， 并利用X射线光电子能谱(XPS)、 透射电子显微镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)等分析方法表征了其组成和形貌结构， 通过紫外吸收光谱(UV)和荧光光谱测试了其光学性能. 研究结果表明， 将O-CDs和A-CDs以最佳质量比1∶1.5混合， 可制成广谱抗紫外碳点防晒吸收剂材料（命名为B-CDs）. 将B-CDs作为有效防晒吸收剂成分制备了可顺滑书写的墨水添加剂， 并测试了其一定周期内(120 h)的抗紫外光稳定性. 结果表明， 所制备的碳点作为防晒墨水成分具有抗紫外辐射效果显著、 稳定性好的优点， 说明碳点材料作为广谱防晒吸收剂在防晒产品中的应用具有可行性.
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.
采用微波等离子化学气相沉积技术， 以铌片作为基底， 制备了6种不同硼掺杂量的掺硼金刚石 （Nb/BDD）电极， 探究了不同硼掺杂量对Nb/BDD电极电化学性能及氧化全氟辛酸（PFOA）的影响， 并将其应用于不同全氟及多氟烷基类化合物（PFASs）的电化学去除. 结果表明， 随着硼掺杂量的增加， Nb/BDD薄膜的晶粒尺寸逐渐减小， 电极表面的电子转移速率逐渐增加， 但薄膜质量下降， 导致其脱落率增加. 以Na2SO4作为电解质， 在30 mA/cm2电流密度下， 以Nb/BDD电极为阳极在120 min内使PFOA的降解率达到78.3%， 矿化率在240 min内达到78.1%. 在6种不同硼掺杂量的Nb/BDD电极中， 中低掺杂的Nb/BDD电极对PFOA具有更高的降解和矿化能力， 说明通过调控BDD的硼掺杂量可实现PFAS的高效电化学去除. 对降解产物进行分析的结果表明， PFOA的电化学降解遵循碳链逐级去除的规律， 其中， 阳极与污染物之间的直接电子转移是降解的关键起始步骤. 通过对不同链长全氟磺酸（PFSA）和全氟羧酸（PFCA）的电化学降解发现， 碳链长度与PFAS的降解率和矿化率呈正比， 因此， 降解产生的短链产物是限制PFAS彻底矿化的主要原因. 未来需要更加关注短链和超短链PFAS的高效去除， 以满足通过电化学技术实现PFAS完全无害化处理的需求.
湿气发电是近年来兴起的一种新型能源转化方式, 它可以将大气环境湿气中的能量直接转化为电能, 且不会衍生任何污染物及有害气体. 得益于大气中无处不在的水汽和清洁无污染的发电过程, 这一发电技术适应性极宽, 不受时间、 地域及环境等自然条件限制, 因此“水汽发电”具有非常好的发展前景. 本文简单回顾了湿气发电技术的演进历程, 讨论了湿气与发电材料之间的相互作用机理, 主要包括离子梯度扩散和流动电势两个方面, 并对新型碳基吸湿层材料的种类、 特性及其优缺点进行了分析， 综合评述了湿气发电技术在最新应用领域的发展情况, 最后, 讨论了碳基湿气发电器件在应用中所面临的挑战和障碍, 并对未来该领域的研究方向进行了展望.
设计合成了具有光可移除保护基团（PPG)特性的芳香族吖啶衍生物； 通过核磁共振波谱、 紫外-可见光谱和荧光光谱等手段， 研究了葫芦[n]脲(CB[n]， n=7， 8， 10)主体与该客体分子的主客体识别过程及主客体作用对其水相光解反应的影响. 研究发现， CB[7]与客体分子形成了1∶1的主客体包合物， CB[8]与客体分子形成了1∶1和1∶2两种结合模式的主客体包合物， 而CB[10]与客体分子形成了1׃2的主客体包合物. 进一步的研究表明， CB[7]的存在对客体的光解反应有一定的抑制作用， 而CB[8]存在下客体的光解速率得到了明显提升. 研究结果揭示了CB[n]空腔尺寸的微小变化对客体分子光解反应的不同影响， 为进一步设计CB[n]作为纳米反应器介导PPG分子水相光解反应的超分子体系提供了新思路.
共价有机框架(COFs)是一种新型的共价连接晶体材料, 具有结构可预测性和永久孔隙度, 被广泛应用于异相催化. 本文以光活性芘基团的有机单体(TFPPy)和含苯并噻二唑(BTz)的有机单体作为构筑单元, 通过溶剂热法合成了一种Donor-acceptor(D-A)型TFPPy-BTz-COF纳米棒光催化剂. 利用扫描电子显微镜(SEM)、 高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射仪(XRD)、 紫外-可见漫反射光谱仪(UV-Vis DRS)、 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和氮气吸附-脱附实验等手段表征了TFPPy-BTz-COF的形貌、 结构和组成. 得益于D-A型TFPPy-BTz-COF纳米棒优异的光生电子分离性能, 在室温、 氧气氛围及可见光照射条件下, TFPPy-BTz-COF纳米棒可将各种苄胺高效、 高选择性催化氧化成相应的偶联产物. 结合电子顺磁共振波谱(EPR)和活性物种捕获实验, 发现单线态氧(1O2)和超氧自由基(O2∙-)是关键活性氧物种, 并提出了TFPPy-BTz-COF可见光催化氧化苄胺偶联反应的催化机理.
有机太阳能电池(OSCs)因具有制备工艺简单、 材料来源广泛、 柔性及可以卷对卷生产等优势而逐渐成为光伏领域的研究热点. 在进一步商业化推广的道路上， OSCs也面临着提高光电转换效率(PCE)、 规模化生产、 降低成本及提高稳定性等诸多挑战. 在探索解决这些问题的研究中， 碳点(CDs)因具有成本低、 结构多样、 绿色环保、 来源广泛、 导电性高及稳定性好等优点而备受关注. 在OSCs器件中， CDs可以作为电荷传输层和界面修饰层材料使用， 通过界面工程改善电池界面处的能级匹配和电荷传输性能， 提升OSCs器件的整体性能， 为光伏电池的发展提供新的思路， 成为推动OSCs发展的关键材料之一. 本文介绍了CDs的概念、 分类和独特的结构特征， 综合评述了其优异的可调光电特性和功能化改性方法， 总结了CDs在OSCs界面工程领域的应用， 指出了应用于OSCs领域的CDs基界面材料存在的问题， 并对其进一步发展进行了展望.
碳点(CDs)作为一类新型零维碳基纳米材料, 因其可调发光性、 低毒性和多功能性, 在生物成像、 光电器件及环境传感等领域展现出广阔应用前景. 由于制备方法不同、 原料来源多样以及组成结构复杂, 碳点的发光机制一直是研究重点. 不明确的发光机制制约了高荧光性能碳点的设计与应用. 本文系统梳理了碳点的结构与发光机制之间的构效关系, 重点解析了量子限域效应、 有效共轭长度、 表面-边缘态、 分子态及交联增强发射效应等5种核心机制的作用, 以期为高荧光性能碳点的可控合成与功能化应用提供理论指导.
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.
通过固相合成方法制备了一种硼掺杂的碳点(B-CDs), 并将其作为锂电池的电解液添加剂. 在空气中催化热解碳源制备碳点, 具有产量大、 产率高、 安全可控和操作方便等优点. 以间苯三酚和硼酸为原料合成的硼掺杂碳点, 在碳酸酯类电解液中具有良好的分散性. 掺杂的硼原子作为缺电子中心, 可通过路易斯酸碱作用结合含氟阴离子基团, 从而诱导锂离子均匀沉积到锂金属负极上. 当B-CDs的添加量为0.3 mg/mL时, 锂对称电池在电流为0.5 mA/cm2, 电沉积量为0.5 mA·h/cm2的测试条件下可稳定循环2500 h, 说明该碳点添加剂极大提升了锂沉积/溶解的可逆性. 使用B-CDs添加后的电解液组装磷酸铁锂全电池, 初始容量为144.4 mA·h/g, 100次循环后容量保留率可以达到95.1%.
通过动态共价二硫键/非共价氢键协同交联策略构建了自愈合聚氨酯水凝胶. 利用合成的四官能度 3，3′-二硫基双丙烷-1，2-二醇为交联剂对聚乙二醇基聚氨酯预聚物进行扩链固化， 经溶剂置换获得聚氨酯水凝胶(SPUG)， 并通过冷冻干燥得到相应的干胶(DSPUG). 对凝胶(或干胶)的理化性能进行了研究. 结果表明， DSPUG具有优异的热稳定性[5%热失重温度(T5%）高于250 ℃]和远低于室温的玻璃化转变温度(Tg<0 ℃)； 随着二硫键含量的增加， 水凝胶的表面亲水性和平衡溶胀率逐渐降低， 保水能力增强. 力学测试结果表明， SPUG呈现弹性形变， 具有优异的拉伸、 压缩韧性和压缩抗疲劳性能， 交联度适中的SPUG-II的最大拉伸强度、 断裂伸长率和断裂韧性分别达到112.2 kPa， 459.4%和267.6 kJ/m3. 动态键赋予了SPUG多重响应性： 在50 ℃下自愈合2 h的自愈合效率高于90%； 氧化还原刺激可实现凝胶-溶胶可逆转变. 噻唑蓝（MTT）法证实孵育72 h后的细胞增殖率>80%， 展现出良好的细胞相容性. 该水凝胶具有优异的力学性能、 凝胶-溶胶可逆转变、 高效的自愈合性能及良好的细胞相容性， 在医用材料领域展现出较好的应用前景.
针对镍基电催化剂在甲醇氧化反应（MOR）中活性位点不足、 导电性差和催化反应动力学速度慢等瓶颈问题， 本文通过晶格掺杂工程策略， 采用低成本钼酸铵前驱体结合煅烧工艺， 构建了氧空位与Ni3+活性位点协同增强的Mo掺杂NiO催化剂. 结果表明， 随着Mo掺杂量从0增加至28%（原子分数）， 催化剂表面氧空位浓度由30.18%梯度提升至56.59%， Ni3+物种占比从65.55%增至85.91%； 当Mo掺杂量为28%时， 在1.0 mol/L KOH/1.0 mol/L CH3OH电解液中， 1.7 V（vs. RHE）电位下获得280.8 mA/cm2的电流密度， 较未掺杂的NiO（21.7 mA/cm2）提升12.9倍， Tafel斜率由63 mV/dec显著降低至25 mV/dec. 通过X射线衍射仪（XRD）、 扫描电子显微镜（SEM）、 透射电子显微镜（TEM）、 X射线光电子能谱（XPS）等表征手段， 对Mo掺杂制备氧空位浓度和 Ni3+/Ni2+摩尔比可调变的NiO催化剂的形成机制和MOR电催化效果进行研究， 初步揭示了其原理和构效关联， 为设计具有高活性位点浓度的高效直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极催化剂提供了新思路.
金纳米团簇的聚集诱导发光特性在生物成像、 化学传感和光电器件领域展现出重要的应用潜力. 然而, 如何通过有效设计增强金纳米团簇的聚集诱导发光性能仍具有挑战性. 本文报道了一种配体工程策略, 在Au8纳米团簇中实现了显著的聚集诱导发光增强. 与溶液状态相比, 聚集态Au8纳米团簇的量子产率提升约 90倍, 发射强度增强达560倍. 通过结合光学表征和聚集体系中亚稳态组分的追踪, 阐明了其聚集诱导发光机制. 由于该配体工程策略缩短了团簇间距(从1.31 nm压缩至0.72 nm), 进而有效了抑制分子间旋转/振动弛豫, 使得金纳米团簇的聚集诱导发光和结晶诱导发光均得到增强. 这种空间位阻缩减策略为精准调控金纳米团簇在聚集态和晶态的光致发光行为建立了新范式.
碳点(CDs)作为一种光学性能优异的零维碳纳米材料， 在光电器件及生物成像等领域得到了广泛的应用. 然而， 固态CDs由于聚集造成的共振能量转移和π-π堆积会导致固态发光猝灭， 极大阻碍了其在荧光粉或固态照明等方面的应用. 因此， 研究人员探索了多种获得固态发光CDs的方式. 本文综合评述了CDs固态发光的机理和现阶段常用的合成策略， 介绍了固态发光CDs最新的应用领域，最后指出了制备固态发光CDs面临的困难和挑战.
以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、 海藻酸钠（SA）和碳点（CDs）光敏剂为主要原料， 通过自由基聚合和钙离子交联的方法制备了一种基于红光碳点光敏剂的活性收缩水凝胶（PNSP Gel）， 用于细菌感染的伤口愈合. PNSP Gel可在体温下（37 ℃）通过活性收缩作用释放出CDs光敏剂， 进一步通过CDs光敏剂的光动力抗菌作用， 有效杀灭伤口部位的细菌， 促进伤口快速愈合. 研究结果表明， PNSP Gel具有良好的释药性能、 光动力抗菌性能以及加速伤口愈合的能力， 为临床伤口管理提供了新的解决方案.
随着社会对丙烯需求的增长， 发展高效丙烯生产技术无论对于科学研究和经济发展都至关重要. 铂基催化剂由于具有较高的丙烷C—H键活化能力和丙烯选择性， 在丙烷脱氢(PDH)反应中得到了广泛的研究.然而在丙烷脱氢反应过程中， 由于Pt的烧结及积碳导致催化剂快速失活. 高稳定性小尺寸Pt基催化剂的开发至关重要. 本文以具有限域作用的介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)为载体， 利用过渡金属锌为助剂调控活性组分Pt的电子性质及几何结构， 制备了一系列不同锌含量的PtxZn/MSN催化剂. 通过X射线衍射(XRD)、 N2气 吸附-脱附实验、 拉曼光谱、 CO漫反射红外傅里叶变换光谱、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对产物进行了表征， 并测试了其PDH性能. 结果表明, 锌的加入使Pt颗粒分割为更小的Pt物种， 提高了Pt的分散度， 从而减少了副反应的发生， 提高了催化剂的稳定性. 当锌负载量为0.5%(质量分数）时， Pt0.5Zn/MSN催化剂展示了最高的PDH性能， 其中， 丙烷初始转化率为47.9%， 丙烯选择性为97.0%， 反应6 h后， 丙烷转化率仍保持在45.8%， 选择性在97.0%， 丙烯生成速率为0.82 mmol/min·gcat.
