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物理化学学报  2019, Vol. 35 Issue (6): 572-590    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201806060
综述     
纳米碳点的制备与应用研究进展
胡超1,穆野1,李明宇2,邱介山2,3,*()
1 西安交通大学化学工程与技术学院,西安 710049
2 大连理工大学化工学院,辽宁省能源材料化工重点实验室,精细化工国家重点实验室,辽宁 大连 116024
3 北京化工大学化学工程学院,北京 100029
Recent Advances in the Synthesis and Applications of Carbon Dots
Chao HU1,Ye MU1,Mingyu LI2,Jieshan QIU2,3,*()
1 School of Chemical Engineering and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, P. R. China
2 Liaoning Key Lab for Energy Materials and Chemical Engineering, School of Chemical Engineering, State Key Lab of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, P. R. China
3 College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, P. R. China
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摘要:

纳米碳点是碳纳米材料家族的新成员,近年来在国内外受到广泛关注。与传统的荧光染料和半导体量子点发光材料相比,碳点不仅具有优异的光学性能及尺寸效应,且具有制备成本低廉、生物相容性好、易于官能化、能带结构可调等优势。本文在理清有关碳点概念的基础之上,介绍了碳点结构特征和制备策略,着重综述了纳米碳点在生物成像与诊疗、传感器件、催化、光电器件和能量存储领域的最新研究进展,探讨了碳点研究目前存在的问题及未来的发展方向。

关键词: 荧光碳点生物成像传感催化光电器件能量存储    
Abstract:

Carbon atoms can bond together in different molecular configurations leading to different carbon allotropes including diamond, fullerene, carbon nanotubes, graphene, and graphdiyne that are widely used or explored in a number of fields. Carbon dots (CDs), which are generally surface-passivated carbon nanoparticles less than 10 nm in size, are other new members of carbon allotropes. CDs were serendipitously discovered in 2004 during the electrophoresis purification of single-walled carbon nanotubes. Similar to their popular older cousins, fullerenes, carbon nanotubes, and graphene, CDs have drawn much attention in the past decade and have gradually become a rising star because of the advantages of chemical inertness, high abundance, good biocompatibility, and low toxicity. Interestingly, CDs typically display excitation-energy- and size-dependent fluorescent behavior. Depending on their structures, the fluorescence from CDs is either attributed to the quantum-confinement effect and conjugated π-domains of the carbogenic core (intrinsic states), or determined by the hybridization of the carbon skeleton and the connected chemical groups (surface states). Compared with the traditional semiconductors, quantum dots, and their organic dye counterparts, fluorescent CDs possess not only excellent optical properties and small-size effect, but also the advantages of low-cost synthesis, good photo-bleaching resistance, tunable band gaps, and surface functionalities. For these reasons, CDs are considered to be emergent nanolights for bio-imaging, sensing, and optoelectronic devices. Additionally, CDs feature abundant structural defects at their surface and edges, excellent light-harvesting capability, and photo-induced electron-transfer ability, thus facilitating their applications in photocatalysis and energy storage and conversions. To date, remarkable progress has been achieved in terms of synthetic approaches, properties, and applications of CDs. This review aims to classify the different types of CDs, based on the structures of their carbogenic cores, and to describe their structural characteristics in terms of synthesis approaches. Two well-established strategies for synthesizing CDs, the top-down and bottom-up routes, are highlighted. The diverse potential applications, in the bio-imaging and diagnosis, sensing, catalysis, optoelectronics, and energy-storage fields, of CDs with different structures and physicochemical properties, are summarized, covering the issues of surface modification, heteroatom doping, and hybrids made by combining CDs with other species such as metals, metal oxides, and biological molecules. The challenges and opportunities for the future development of CDs are also briefly outlined.

Key words: Fluorescence    Carbon dot    Bioimaging    Sensing    Catalysis    Optoelectronic device    Energy storage
收稿日期: 2018-06-27 出版日期: 2018-08-01
中图分类号:  O648  
基金资助: 中央高校基本科研业务费专项资金(xjj2017083);中央高校基本科研业务费专项资金(zrzd2017014);国家自然科学基金(51702254);国家自然科学基金(U1710117);中国博士后科学基金(2016M602827);陕西省自然科学基础研究计划(2017JQ5027);辽宁省博士启动基金(201501173)
通讯作者: 邱介山     E-mail: qiujs@mail.buct.edu.cn
作者简介: 邱介山,1964年生。1990年在大连理工大学获博士学位;国家杰出青年基金获得者,长江学者特聘教授,现任北京化工大学化学工程学院教授。研究方向为能源材料化工、煤化工和多相催化
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胡超
穆野
李明宇
邱介山

引用本文:

胡超,穆野,李明宇,邱介山. 纳米碳点的制备与应用研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(6): 572-590, 10.3866/PKU.WHXB201806060

Chao HU,Ye MU,Mingyu LI,Jieshan QIU. Recent Advances in the Synthesis and Applications of Carbon Dots. Acta Phys. -Chim. Sin., 2019, 35(6): 572-590, 10.3866/PKU.WHXB201806060.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201806060        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2019/V35/I6/572

图1  碳点的结构示意图
图2  碳点和石墨的(a)XRD图谱;(b)拉曼光谱;(c) XPS C 1s图谱;(d) FT-IR光谱17
图3  化学氧化法刻蚀炭纤维制备碳点的示意图28
图4  水热法剪切氧化石墨制备碳点的机理示意图53
图5  由柠檬酸热解制备石墨烯量子点和氧化石墨的示意图12
图6  不同水热温度条件下得到产物结构43
图7  通过不同方式注射ZW800-CDs的小鼠肿瘤荧光成像研究76
图8  PEG1500N-CDs标记的HT-29细胞的(a)常规激发(458 nm)和(b)双光子激发(800 nm)荧光图像76
图9  基于CdSe@C-TPEA纳米复合结构的双发射Cu2+荧光传感器114
图10  CDs-P的制备示意图及其对H2O2的传感检测过程121
图11  CDs-C3N4纳米复合物在可见光驱动下的水分解机制122
图12  ITO/PEDOT:PSS/P3HT:GQDs/Al薄膜太阳能电池器件的(a)结构图和(b)能带图,以及(c)不同电池组件的J–V特征曲线对比图168
图13  采用不同碳点为荧光材料构建的LEDs的(a)发射光谱图,(b) CIE色度坐标位置,以及(c–e)对应的发光照片180
图14  (a)在石墨烯基体上实现碳点包覆的VO2纳米阵列的生长制备过程;(b)电子/离子双连续通道电极结构示意图;(c)电池循环1500次的稳定性197
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