化工學院青年教師劉禹杉在國際高水平期刊《Nano Today》上發表綜述型論文

近日，我校化學與化工學院青年教師劉禹杉在國際高水平期刊《Nano Today》（影響因子：17.4）上發表題為“Recent advances of biomass-derived carbon dots with room temperature phosphorescence characteristics”的綜述型論文。我校青年教師劉禹杉為論文第一作者，東北林業大學劉守新教授及牛力博士為共同通訊作者，陜西科技大學為第一通訊單位，該論文的發表極大地提高了我校在生物質室溫磷光碳點領域的國際影響力。

室溫磷光材料由于在室溫下有著相對較長的余輝時間，在防偽加密、數據存儲、光電器件、生物成像等諸多方面顯示出日益增長的重要作用。目前報道的室溫磷光材料較少且局限于有機金屬配合物和純有機化合物。然而，這些材料一直飽受合成成本高、生物毒性大及制備方法復雜等詬病，極大地限制了應用。相比之下，碳點的合成簡便、成本低廉、生物相容性高、光穩定性強，尤其是表現出更多樣化的結構設計和更好的發光可調諧性，有望成為下一代室溫磷光材料的主力軍之一。然而，當前室溫磷光碳點大多以有機化學品為原料合成，長此以往勢必會加劇資源消耗，危害生態環境。因此，迫切需要尋找可再生的替代物制備室溫磷光碳點。生物質作為自然界中儲量豐富的可再生資源，具有天然芳香結構和較多的羥基、羧基、氨基基團，在構筑室溫磷光碳點中具有應用潛力。其雜原子自摻雜性能也有利于構筑碳點的共軛碳核及室溫磷光活性位點（C=O/C=N）。此外，生物質室溫磷光碳點還解決了生物廢棄物的利用問題，降低了生產成本，實現了碳的可持續發展。盡管，生物質碳點的室溫磷光特性目前已經取得了重大研究進展，但尚未發表任何綜述型論文對其進行系統地總結。

本綜述基于本人及所在課題組近年來在: Advanced Materials 2020, 2000596, ACS Nano 2020, 4, 11130-11139, Matter 2022, 5, 2864-2881, Chinese Chemical Letters 2022, 33, 783-787, ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 32, 36628-36638, Chemical Engineering Journal 2021 413, 127457, Journal of Colloid and Interface Science 2019, 539, 332-341, Sensors & Actuators: B. Chemical 2019, 281, 34-43，Carbon 2021, 171, 946-952. Engineered Science 2018, 4, 111-118, ChemSusChem 2018, 11, 11-24. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2019, 7, 18801-18809, Analytica Chimica Acta 2019, 1090, 133-142，Talanta 2020, 210, 120649, Progress in Chemistry 2018, 30 (4), 349-364等期刊上發表的相關工作，總結了生物質室溫磷光碳點的結構組成、發光機理、性質調控、合成方法和潛在應用，以期為生物質高值化利用及室溫磷光材料的研究提供理論基礎及參考價值，以下為論文部分插圖：

生物質室溫磷光碳點的發光調控機制

生物質室溫磷光碳點的常見制備原料

自保護生物質室溫磷光碳點的構筑

基質輔助生物質室溫磷光碳點的構筑

總結與展望

由于生物質室溫磷光碳點具有成本低、制備簡單、低毒、生物相容性高等優勢，尤其表現出更多樣化的結構設計和更好的發光可調諧性，有望成為下一代室溫磷光材料的主力軍之一。本綜述系統地回顧了生物質如何轉化為室溫磷光碳點，以及它們的組成結構、光學性質及應用領域，建立了生物質原料、碳點結構及組成之間的內在聯系，總結了生物質室溫磷光碳點的發光調控機制。

生物質室溫磷光碳點分為自保護室溫磷光碳點和無基質室溫磷光碳點兩種類型，其光學性能受合成策略的影響，尤其是制備方法、原料種類、雜原子摻雜（氮、磷、氧、硼和鹵素等）及復合基體等方面。應用范圍可拓展到安全防偽、信息加密、分析傳感、生物成像及發光二極管等領域。盡管，生物質室溫磷光碳點的發展在短期內取得了長足的進步，但其在構筑及應用方面仍然面臨著以下挑戰。

1 合成策略的挑戰

目前，大部分生物質室溫磷光碳點的合成原料均為檸檬酸、氨基酸、維生素和碳水化合物等有價值的生物質分子衍生物，這些生物質可以更好地用于其他領域。理想情況下，未來，生物質室溫磷光碳點的合成原料應更多的發展為廉價的生物質廢物或其他低值的、未被充分利用的天然材料。揭示生物質室溫磷光碳點的形成機制并建立碳點的組成結構與功能之間的對應關系至關重要，以期控制制備具有特定余輝性能的生物質室溫磷光碳點，從而滿足不同的應用需求。生物質室溫磷光碳點可以通過在微波、水熱/溶劑熱或高溫熱解過程中加熱生物質前驅體制備，在此過程中，大量的前驅體將發生團聚并轉化為非磷光性碳聚集體，致使生物質室溫磷光碳點的產率降低。另外，由于制備原料的多樣及復雜性，生物質室溫磷光碳點的純化過程相對復雜且制備重復率較低。未來，研究人員應優化反應條件，尋找更合適的純化方法，以合成高質量的生物質室溫磷光碳點。在原料選擇方面，應選擇分子組成易于控制的生物質，有利于系統地探索生物質碳點的室溫磷光起源。目前，生物質碳點通常復合單一基質來誘導室溫磷光，未來，生物質室溫磷光碳點應嘗試多組分復合，即結合聚合物、有機和無機化合物三種基質，充分發揮各自優勢，同時控制室溫磷光顏色、延長壽命、提高量子效率。

2 室溫磷光性能的挑戰

未來，具有小時級余輝壽命材料的開發備受期待。生物質室溫磷光碳點的量子效率和壽命應進一步提高。在碳點內部及外部構筑穩固的剛性結構將有利于延長發光壽命并提高量子效率。基質輔助生物質室溫磷光碳點的剛性通常由外部作用力決定，例如氫鍵、共價鍵和有機-無機雜化相互作用等，其可以有效穩定磷光三重態激子。尤其是生物質室溫磷光碳點與基質之間的橋聯可以為復合材料提供顯著的耐水性。無基質輔助（自保護）室溫磷光碳點來源于“聚集誘導發光”機制，碳點中高度交聯的炭化聚合物結構，可以模擬外加基質作用，穩固激發三重態，促進生物質碳點的室溫磷光發射。目前，大部分生物質室溫磷光碳點的發射均集中在短波長區域（藍光到綠光），將室溫磷光發射拓展到600 nm以上的長波長區域仍然是一項巨大的挑戰。對于生物醫藥應用來說，藍光和綠光的波長較短，難以穿透深層組織以進行光學成像。此外，目前生物質室溫磷光碳點的吸收波長范圍較窄，光捕獲能力有限，擴大其吸收范圍將增強光子的吸收性能，從而優化生物質室溫磷光點在光催化和太陽能電池領域的應用。生物質碳點室溫磷光發光顏色的調控可以通過電子轉移及雜原子摻雜兩種途徑實現。如果生物質室溫磷光碳點和基質的能級與激發三重態一致，則能量從高三重態能級到低三重態能級的轉移可導致長波長室溫磷光發射的產生。雜原子摻雜將引入多重雜化軌道，從而輕松調控三重態能級，獲得具有多種發光顏色的生物質室溫磷光碳點。另外，上述策略還有助于延長室溫磷光壽命。

3 應用的挑戰

目前，生物質室溫磷光碳點的應用多集中在安全防偽和信息加密上。未來，新的應用還需要進一步開發。例如，由于生物質室溫磷光碳點的生物相容性高于由傳統化學品合成的碳點，因此它們可能是生物發光標記物的良好替代品。應拓展生物質室溫磷光碳點的生物醫藥應用，例如藥物輸送、光動力治療、骨組織工程和體內生物成像等。此外，通過將生物質碳點的室溫磷光性能與其他常見的光物理特征（如上轉換發光、圓偏振發光和光熱轉換）相結合，將拓展其在近紅外成像、液晶顯示、光誘導海水淡化和相變儲能領域中的應用。

新聞小貼士：

劉禹杉，工學博士，2022年6月畢業于東北林業大學林產化學加工工程專業，師從“長江學者”劉守新教授，就讀期間于德國哥廷根大學Kai Zhang教授課題組聯合培養1年，同年9月入職于陜西科技大學化學與化工學院，當前主要從事于生物質碳基光電功能材料的構筑及應用方面的研究。近年來，主持陜西省自然科學基礎研究計劃項目、中國兵器工業集團北化研究院青創項目、中央高校基礎研究計劃項目3項；參與國家重點研究計劃、國家工信技術支撐項目中央軍委裝備發展部裝備項目、中央高校基礎研究計劃項目4項；在國際知名期刊發表SCI論文20余篇，其中以第一作者在Nano Today，Chem，Chemical Engineering Journal，ACS Applied Materials & Interfaces，及Carbohydrate Polymers等國際高水平期刊上發表論文12篇，最新累計影響因子為125.2，H指數18。申請國家發明專利5件。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102257

（核稿：黃文歡 編輯：劉倩）