Synthesis， Structure Control and Applications of Carbon Dots

doi:10.7503/cjcu20200659

Abstract

Abstract:

Carbon dot（CD） is a kind of environmental friendly nanoparticles that have attracted much interests in the field of photoelectric materials， catalysis and biomedicine， etc. As a novel kind of CDs， carbonized polymer dots（CPDs） possess lots of active sites， controllable conjugated structure and good compatibility， showing great potential. In this review， the synthetic approaches and characterization ways are summarized， including how to establish the relationship between precursor structure， micro-nano structure of CPDs as well as their properties through introducing hybrid atoms， and tuning the groups and active sites， as well as defects on the surface of CPDs， the carbonized procedure， crystal structure， conjugated degree and energy levels. The applications of the CPDs and their hybrid and composites in photo（electro） catalysis， photo-electric conversion and energy storage are introduced. At last， the issues to be addressed and the prospective of carbon dots are proposed.

Key words: Carbonized polymer dots, Structure-function relationship, Carbon dots

CLC Number:

O634

TrendMD:

SUN Haizhu, YANG Guoduo, YANG Bai. Synthesis， Structure Control and Applications of Carbon Dots[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 349.

Figures/Tables 21

References 69

1	Xu X.， Ray R.， Gu Y.， Ploehn H. J.， Gearheart L.， Raker K.， Scrivens W. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2004， 126， 12736—12737
2	Sun Y.， Zhou B.， Lin Y.， Wang W.， Fernando K. A. S.， Pathak P.， Meziani M. J.， Harruff B. A.， Wang X.， Wang H.， Luo P.， Yang H.， Kose M. E.， Chen B.， Veca L. M.， Xie S.， J. Am. Chem. Soc.，2006， 128， 7756—7757
3	Han M.， Zhu S.， Lu S.， Song Y.， Feng T.， Tao S.， Liu J.， Yang B.， Nano Today， 2018， 19， 201—218
4	Zhu S.， Song Y.， Zhao X.， Shao J.， Zhang J.， Yang B.， Nano Res.，2015， 8， 355—381
5	Pan D.， Zhang J.， Li Z.， Wu M.， Adv. Mater.， 2010， 22， 734—738
6	Zhu S.， Zhang J.， Qiao C.， Tang S.， Li Y.， Yuan W.， Li B.， Tian L.， Liu F.， Hu R.， Gao H.， Wei H.， Zhang H.， Sun H.， Yang B.， Chem. Commun.， 2011， 47， 6858—6860
7	Zhu S.， Meng Q.， Wang L.， Zhang J.， Song Y.， Jin H.， Zhang K.， Sun H.， Wang H.， Yang B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52，3953—3957
8	Lu S.， Sui L.， Liu J.， Zhu S.， Chen A.， Jin M.， Yang B.， Adv. Mater.， 2017， 29， 1603443
9	Liu J.， Li D.， Zhang K.， Yang M.， Sun H.， Yang B.， Small， 2018， 14， 1703919
10	Tao S.， Feng T.， Zheng C.， Zhu S.， Yang B.， J. Phys. Chem. Lett.， 2019， 10， 5182—5188
11	Xia C.， Zhu S.， Feng T.， Yang M.， Yang B.， Adv. Sci.， 2019， 6， 1901316
12	Xia C.， Tao S.， Zhu S.， Song Y.， Feng T.， Zeng Q.， Liu J.， Yang B.， Chem. Eur. J.，2018， 24， 11303—11308
13	Tao S.， Lu S.， Geng Y.， Zhu S.， Redfern S. A. T.， Song Y.， Feng T.， Xu W.， Yang B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57， 2393—2398
14	Zhu S.， Zhao X.， Song Y.， Lu S.， Yang B.， Nano Today， 2016， 11， 128—132
15	Tao S.， Zhu S.， Feng T.， Zheng C.， Yang B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 9826—9840
16	Song Y.， Zhu S.， Zhang S.， Fu Y.， Wang L.， Zhao X.， Yang B.， J. Mater. Chem. C， 2015， 3， 5976—5984
17	Zhu S.， Song Y.， Shao J.， Zhao X.， Yang B.， Angew. Chem. Int. Ed.，2015， 54， 14626—14637
18	Zhu S.， Shao J.， Song Y.， Zhao X.， Du J.， Wang L.， Zhang K.， Zhang J.， Yang B.， Nanoscale，2015， 7， 7927—7933
19	Wang L.， Zhou G.， Tian Y.， Yan L.， Deng M.， Yang B.， Kang Z.， Sun H.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 244， 262—271
20	Feng T.， Zeng Q.， Lu S.， Yang M.， Tao S.， Chen Y.， Zhao Y.， Yang B.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2019， 7， 7047—7057
21	Han M.， Lu S.， Qi F.， Zhu S.， Sun H.， Yang B.， Sol. RRL， 2020， 4， 1900517
22	Li W.， Liu Y.， Wu M.， Feng X.， Redfern S. A. T.， Shang Y.， Yong X.， Feng T.， Wu K.， Liu Z.， Li B.， Chen Z.， Tse J. S.， Lu S.， Yang B.， Adv. Mater.，2018， 30， 1800676
23	Lu S.， Sui L.， Wu M.， Zhu S.， Yong X.， Yang B.， Adv. Sci.，2019， 6， 1801192
24	Yang M.， Feng T.， Chen Y.， Liu J.， Zhao X.， Yang B.， Appl. Catal. B： Environ.， 2020， 267， 118657
25	Ji T.， Guo B.， Liu F.， Zeng Q.， Yu C.， Du X.， Jin G.， Feng T.， Zhu S.， Li F.， Yang B.， Adv. Mater. Interfaces， 2018， 5， 1701519
26	Feng T.， Zeng Q.， Lu S.， Yan X.， Liu J.， Tao S.， Yang M.， Yang B.， ACS Photonics， 2018， 5， 502—510
27	Yuan F.， Yuan T.， Sui L.， Wang Z.， Xi Z.， Li Y.， Li X.， Fan L.， Tan Z.， Chen A.， Jin M.， Yang S.， Nat. Commun.，2018， 9， 2249
28	Wei S.， Feng K.， Li C.， Xie N.， Wang Y.， Yang X.， Chen B.， Tung C.， Wu L.， Matter，2020， 2， 495—506
29	Yuan F.， Wang Y.， Sharma G.， Dong Y.， Zheng X.， Li P.， Johnston A.， Bappi G.， Fan J.， Kung H.， Chen B.， Saidaminov M. I.， Singh K.， Voznyy O.， Bakr O. M.， Lu Z.， Sargent E. H.， Nat. Photon.，2020， 14， 171—176
30	Jiang K.， Zhang L.， Lu J.， Xu C.， Cai C.， Lin H.， Angew. Chem. Int. Ed.，2016， 55， 7231—7235
31	Jiang K.， Wang Y.， Cai C.， Lin H.， Adv. Mater.，2018， 30， 1800783
32	Miao X.， Qu D.， Yang D.， Nie B.， Zhao Y.， Fan H.， Sun Z.， Adv. Mater.，2018， 30， 1704740
33	Liu J.， Liu Y.， Liu N.， Han Y.， Zhang X.， Huang H.， Lifshitz Y.， Lee S. T.， Zhong J.， Kang Z.， Science，2015， 347， 970—974
34	Fu J.， Wang Y.， Liu J.， Huang K.， Chen Y.， Li Y.， Zhu J.， ACS Energy Lett.，2018， 3， 946—951
35	Liu Y.， Li X.， Zhang Q.， Li W.， Xie Y.， Liu H.， Shang L.， Liu Z.， Chen Z.， Gu L.， Tang Z.， Zhang T.， Lu S.， Angew. Chem. Int. Ed.，2020， 59， 1718—1726
36	Wei J. S.， Ding C.， Zhang P.， Ding H.， Niu X. Q.， Ma Y. Y.， Li C.， Wang Y. G.， Xiong H. M.， Adv. Mater.，2019， 31， 1806197
37	Zhu S.， Zhang J.， Tang S.， Qiao C.， Wang L.， Wang H.， Liu X.， Li B.， Li Y.， Yu W.， Wang X.， Sun H.， Yang B.， Adv. Funct. Mater.， 2012， 22， 4732—4740
38	Zhu S.， Hang J.， Liu X.， Li B.， Wang X.， Tang S.， Meng Q.， Li， Y.， Shi C.， RSC Adv.，2012， 2， 2717—2720
39	Zhu S.， Tang S.， Zhang J.， Yang B.， Chem. Commun.， 2012， 48， 4527—4539
40	Zhu S.， Zhang J.， Wang L.， Song Y.， Zhang G.， Wang H.， Yang B.， Chem. Commun.， 2012， 48， 10889—10891
41	Liu J.， Lu S.， Tang Q.， Zhang K.， Yu W.， Sun H.， Yang B.， Nanoscale， 2017， 9， 7135—7142
42	Zhu Z. J.， Cheng R.， Ling L. T.， Li Q.， Chen S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 3099—3105
43	Park M.， Kim H. S. Yoon H.， Kim J.， Lee S.， Yoo S.， Jeon S.， Adv. Mater.，2020， 32， 2000936
44	Zhang X.， Zeng Q.， Xiong Y.， Ji T.， Wang C.， Shen X.， Lu M.， Wang H.， Wen S.， Zhang Y.， Yang X.， Ge X.， Zhang W.， Litvin A. P.， Baranov A. V.， Yao D.， Zhang H.， Yang B.， Rogach A. L.， Zheng W.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30， 1910530
45	Hang G.， Zhao J.， Zhang R.， Tian X.， Liu Z.， Wang A.， Liu R.， Liu B.， Han M.， Gao X.， Zhang Z.， Angew. Chem. Int. Ed.，2019， 58， 7087—7091
46	Tepliakov N. V.， Kundelev E. V.， Khavlyuk P. D.， Xiong Y.， Leonov M. Y.， Zhu W.， Baranov A. V.， Fedorov A. V.， Rogach A. L.， Rukhlenko I. D.， ACS Nano， 2019， 13， 10737—10744
47	Song H.， Li Y.， Shang L.， Tang Z.， Zhang T.， Lu S.， Nano Energy， 2020， 72，104730
48	Hoang V. C.， Dinhab K. N.， Gomes V. G.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 22650—22662
49	Tam T. V.， Kang S. G.， Kim M. H.， Lee S. G.， Hur S. H.， Chung J. S.， Choi W. M.， Adv. Energy Mater.，2019， 9， 1900945
50	Liu J.， Geng Y.， Li D.， Yao H.， Huo Z.， Li Y.， Zhang K.， Zhu S.， Wei H.， Xu W.， Jiang J.， Yang B.， Adv. Mater.， 2020， 32， 1906641
51	Zhao X.， Li J.， Liu D.， Yang M.， Wang W.， Zhu S.， Yang B.， iScience， 2020， 4， 100982
52	Zhang J.， Yuan Y.， Gao M.， Han Z.， Chu C.， Li Y.， Zijl P. C. M.， Ying M.， Bulte J. W. M.， Liu G.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 9871—9875
53	Feng T.， Yu G.， Tao S.， Zhu S.， Ku R.， Zhang R.， Zeng Q.， Yang M.， Chen Y.， Chen W.， Chen W.， Yang B.， J. Mater. Chem. A， 2020， 9638—9645
54	Yang S.， Du R.， Yu Y.， Zhang Z.， Wang F.， Nano Energy， 2020， 77， 105057
55	Liu Y.， Yang Y.， Peng Z.， Liu Z. Y.， Chen Z.， Shang L.， Lu S.， Zhang T.， Nano Energy， 2019， 65，104023
56	Li W.， Liu Y.， Wang B.， Song H.， Liu Z.， Lu S.， Yang B.， Chin. Chem. Lett.， 2019， 30， 2323—2327
57	Wei Z.， Liu Y.， Peng Z.， Song H.， Liu Z.， Liu B.， Li B.， Yang B.， Lu S.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2019， 7， 7014—7023
58	Zhao Y.， Zeng Q.， Yu Y.， Feng T.， Zhao Y.， Wang Z.， Li Y.， Liu C.， Liu J.， Wei H.， Zhu S.， Kang Z.， Zhang H.， Yang B.， Mater. Horiz.， 2020， 7， 2719—2725
59	Hui W， Yang Y.， Xu Q.， Gu H.， Feng S.， Su Z.， Zhang M.， Wang J.， Li X.， Fang J.， Xia F.， Xia Y.， Chen Y.， Gao X.， Huang W.， Adv. Mater.， 2020， 32， 1906374
60	Lu S.， Con R.， Zhu S.， Zhao X.， Liu J.， Tse J. S.， Meng S.， Yang B.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8， 4062—4068
61	Shao J.， Zhu S.， Liu H.， Son Y.， Tao S.， Yang B.， Adv. Sci.， 2017， 4， 1700395—1700402
62	Yang M.， Tang Q.， Meng Y.， Liu J.， Feng T.， Zhao X.， Zhu S.， Yu W.， Yang B.， Langmuir， 2018， 34， 7767—7775
63	Yang M.， Meng Y.， Liu J.， Yu W.， Yang B.， Part. Part. Syst. Charact.， 2019， 36， 1800315
64	Hu Y.， Chen W.， Lei T.， Zhou B.， Jiao Y.， Yan Y.， Du X.， Huang J.， Wu C.， Wang X.， Wang Y.， Chen B.， Xu J.， Wang C.， Xiong J.， Adv. Energy Mater.，2019， 9， 1802955
65	Xie F.， Xu Z.， Jensen A. C. S.， Ding F.， Au H.， Feng J.， Luo H.， Qiao M.， Guo Z.， Lu Y.， Drew A. J.， Hu Y. S.， Titirici M. M.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 27567—27575
66	Liu W.， Ren B.， Zhang W.， Zhang M.， Li G.， Xiao M.， Zhu J.， Yu A.， Ricardez⁃Sandoval L.， Chen Z.， Small， 2019， 15， 1903610
67	Zhang E.， Jia X.， Wang B.， Wang J.， Yu X.， Lu B.， Adv. Sci.， 2020， 7， 2000470
68	Jin Y.， Hu C.， Dai Q.， Xiao Y.， Lin Y.， Connell J. W.， Chen F.， Dai L. M.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1804630
69	Wang M.， Li Y.， Fang J.， Villa C. J.， Xu Y.， Hao S.， Li J.， Liu Y.， Wolverton C.， Chen X.， Dravid V. P.， Lai Y.， Adv. Energy Mater.，2020， 10， 1902736

CPDs^*	Morphology	PL peak/nm	PLQY
CPDs100	Annular polymer dots	489	6.6%
CPDs200	Amorphous spherical dots	437	46.7%
CPDs300	Graphilic carbongenic dots	434	89.6%

CPDs^*	Morphology	PL peak/nm	PLQY
CPDs100	Annular polymer dots	489	6.6%
CPDs200	Amorphous spherical dots	437	46.7%
CPDs300	Graphilic carbongenic dots	434	89.6%

[1]	YUAN Chunling, YAO Xiaotiao, XU Yuanjin, QIN Xiu, SHI Rui, CHENG Shiqi, WANG Yilin. Colorimetry/Ratio Fluorimetry Determination of Glucose with Bifunctional Carbon Dots [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2428.
[2]	DING Hui, ZHOU Xuanxuan, ZHANG Zihui, XIA Kunlin, ZHAO Yunpeng. Solvent-free and High-yielding Synthesis of Highly Efficient Red-emitting Carbon Dots and Their Application in White Light Devices [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 2080.
[3]	XUE Yarong, LI Hongwei, WU Yuqing. Carbon Dots Based-on Polyethyleneimines as a Ratiometric Fluorescent Sensor of Morin^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(7): 1531.
[4]	ZHOU Sihui, LI Qiong, ZHANG Ting, PANG Daiwen, TANG Hongwu. Luminescent Nanoswitch Based on Carbon Dots for Sensitive Detection of Cu(Ⅱ) Ions and Pyrophosphates [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(8): 1593.
[5]	DONG Xiangyang,NIU Xiaoqing,WEI Jishi,XIONG Huanming. One-step Hydrothermal Synthesis of Copper Doped Carbon Dots and Their Application in White Light Devices^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(6): 1288.
[6]	ABUDUHEIREMU Awati,ZHANG Dedong,HALIDAN Maimaiti. Preparation and CO₂ Reduction Performance of Composite Photocatalyst Based on Aminated Coal-based Carbon Dots^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(2): 306.
[7]	XU Yuan, CHEN Yanhua, DING Lan. One-pot Microwave-assisted Synthesis of Passivated Fluorescent Carbon Dots for Fe(Ⅲ) Detection^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(7): 1420.
[8]	DING Yanli, HU Shengliang, CHANG Qing. Preparation and Characterization of Composites of Amine-functionalized Carbon Dots and Zinc Phthalocyaine^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(4): 619.
[9]	WU Lingling, TIAN Ruixue, ZHAO Qing, CHANG Qing, HU Shengliang. Synthesis and Photocatalytic Properties of the Composites Between Carbon Dots and Silver Nanostructures^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(4): 717.