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郑州大学卢思宇课题组:生物质碳点的制备、性质和应用最新进展
2019-12-02  来源:高分子科技

  近日,郑州大学卢思宇课题组撰写了题为“Biomass-Derived Carbon Dots and Their Applications”的特邀综述,梳理总结了近几年来以生物质为碳源制备碳点的方法及其生物质碳点(BCDs)的相关应用的发展历程,同时,结合本团队的研究成果,预测和展望了生物质碳点在光学及其应用中的趋势。该论文最近在Energy & Environmental Materials期刊上在第3期正式发表(Energy Environ. Mater., 2019, 172-192. DOI:10.1002/eem2.12038.)。

图1 文章摘要图

  碳点作为最为新型的0 D碳纳米材料,具有小尺寸(小于10 nm),表面易于修饰的特点,使这种新兴材料表现出广泛的理化特性(例如,光诱导的电子转移和光致发光),此外生物质作为来源最广泛,最廉价的碳源,在制备碳点中很容易引入杂原子,使其成为一些重要的环境,生物和能源相关应用的理想平台。

图2 近年来BCDs的发展图

  文章主要分为五个部分。第一部分主要对碳点进行了简介以及阐述了碳源选择的重要性;第二部分详细探讨了BCDs制备的方法,即水热碳化法,微波法,热解法等;第三部分对BCDs的结构性质与光学性质进行了探讨;第四部分整理了近年来BCDs的最新研究成果,重点介绍了传感,药物传输,生物成像,太阳能电池,催化等方面的应用。最后,在第五部分,对BCDs的瓶颈问题、发展方向、应用前景以及面临的挑战进行了展望。

图3 水热法制备BCDs的原理图

  水热法是一种在高温高压下利用水对生物质进行热化学降解的技术,是一种很有前途的将生物质转化为新型碳材料的技术,具有广泛的应用前景。水热法已被用于从生物质碳前体如冬瓜、油菜花、甜椒、柚子、香菜等生物质原料中制备新型碳基材料。

图4 BCDs的结构表征

  BCDs是2?10 nm大小的纳米粒子,由经极性氧基官能化的sp2杂化石墨核组成,BCDs表面基团的存在不仅提供了BCDs优异的水溶性,而且还提供了不同类型的进一步的表面功能化。从图4a、b可以看出,BCDs的TEM图像具有良好的分散性。大多数BCDs的粒径/直径都小于10 nm。目前,大多数BCDs处于均匀分散状态,结构通常为球形。通过对BCDs的HRTEM检测,我们可以进一步得到BCDs的结构,如晶格条纹间距。图4b的插图显示了晶格间距为0.21 nm的BCDs的HRTEM图像。BCDs的XRD一般表现为碳原子无序化的非晶态。BCDs的XRD图在20°~ 25°之间通常表现出较宽的衍射峰。BCDs一般含有-OH、C-H、C=O、C=C等化学键,可能有C-N和C-S键。BCDs中主要包括C、N、O、S等元素。图4j描述了制备的BCDs的拉曼光谱;出现了三个主要的高峰。缺陷D峰与G峰分别在1350 cm-1和1580 cm-1附近,而2D峰(~ 2700 cm-1)被强烈抑制。D和G峰强度的比值约为0.32。

图5 BCDs在生物成像方面的应用

  BCDs的性能优异,具有容易修饰,毒性低,和出色的荧光性质,这有利于其在细胞和生物体内的应用。除了将药物分子导入细胞外,BCDs还可作为生物显像剂,利用BCDs的激发依赖性可以很好的对活细胞进行多色成像或者用于选择性活细胞荧光成像探针,可以对亚细胞结构进行选择性染色,除此之外,BCDs还可以用于活体生物内的荧光显示,经过老鼠自身的循环,可以充分将BCDs排除体外,对生物体基本没有伤害。

图6 BCDs在催化方面的应用

  BCDs具有独特的光致发光和光电子转移特性,可作为制备高性能光催化剂的活性组分。BCDs不仅可用作光敏剂,还可用作光催化剂、光谱转换器或光催化过程中的单一光催化剂。BCDs的杂原子掺杂和金属掺杂可以调节带隙,具有一定的催化性能。图6a在NIR光下BCDs基碳催化剂还原8分钟之前和之后4-硝基苯酚水溶液的照片,图6b是在不存在和存在BCDs基的情况下以及在不同的照射条件下RB的光降解曲线,这表明碳点在光催化降解中可以发挥很重要的作用;图6c d图是饱和N2和O2氛围中电极的CVs图和线性扫描伏安图;图6e f为Ru@BCDs和BCDs、Ru粉、5 %商用Ru/C和20 %商用Pt/C的极化曲线,以及1 M KOH循环前后Ru@BCDs的稳定性试验,表明BCDs的加入可以有效提高电催化剂的催化活性和稳定性。

  总之,BCDs目前的发展仍然有很多问题,首先是制备的BCDs多为蓝绿光,而短波长发射不利于在今后的生物学应用,其次是现在虽然BCDs可以实现公斤级生产,但是高效制备高品质BCDs依然是需要解决的问题,构建基于BCDs及其复合材料并实现其功能应用,有助于拓展碳材料体系在生命、环境、信息、能源等领域的应用,并展望碳点在发光和应用领域的未来发展。

  论文链接:https://doi.org/10.1002/eem2.12038

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(责任编辑:xu)
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