化工学院青年教师刘禹杉在国际高水平期刊《Nano Today》上发表综述型论文

近日，我校化学与化工学院青年教师刘禹杉在国际高水平期刊《Nano Today》（影响因子：17.4）上发表题为“Recent advances of biomass-derived carbon dots with room temperature phosphorescence characteristics”的综述型论文。我校青年教师刘禹杉为论文第一作者，东北林业大学刘守新教授及牛力博士为共同通讯作者，陕西科技大学为第一通讯单位，该论文的发表极大地提高了我校在生物质室温磷光碳点领域的国际影响力。

室温磷光材料由于在室温下有着相对较长的余辉时间，在防伪加密、数据存储、光电器件、生物成像等诸多方面显示出日益增长的重要作用。目前报道的室温磷光材料较少且局限于有机金属配合物和纯有机化合物。然而，这些材料一直饱受合成成本高、生物毒性大及制备方法复杂等诟病，极大地限制了应用。相比之下，碳点的合成简便、成本低廉、生物相容性高、光稳定性强，尤其是表现出更多样化的结构设计和更好的发光可调谐性，有望成为下一代室温磷光材料的主力军之一。然而，当前室温磷光碳点大多以有机化学品为原料合成，长此以往势必会加剧资源消耗，危害生态环境。因此，迫切需要寻找可再生的替代物制备室温磷光碳点。生物质作为自然界中储量丰富的可再生资源，具有天然芳香结构和较多的羟基、羧基、氨基基团，在构筑室温磷光碳点中具有应用潜力。其杂原子自掺杂性能也有利于构筑碳点的共轭碳核及室温磷光活性位点（C=O/C=N）。此外，生物质室温磷光碳点还解决了生物废弃物的利用问题，降低了生产成本，实现了碳的可持续发展。尽管，生物质碳点的室温磷光特性目前已经取得了重大研究进展，但尚未发表任何综述型论文对其进行系统地总结。

本综述基于本人及所在课题组近年来在: 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等期刊上发表的相关工作，总结了生物质室温磷光碳点的结构组成、发光机理、性质调控、合成方法和潜在应用，以期为生物质高值化利用及室温磷光材料的研究提供理论基础及参考价值，以下为论文部分插图：

生物质室温磷光碳点的发光调控机制

生物质室温磷光碳点的常见制备原料

自保护生物质室温磷光碳点的构筑

基质辅助生物质室温磷光碳点的构筑

总结与展望

由于生物质室温磷光碳点具有成本低、制备简单、低毒、生物相容性高等优势，尤其表现出更多样化的结构设计和更好的发光可调谐性，有望成为下一代室温磷光材料的主力军之一。本综述系统地回顾了生物质如何转化为室温磷光碳点，以及它们的组成结构、光学性质及应用领域，建立了生物质原料、碳点结构及组成之间的内在联系，总结了生物质室温磷光碳点的发光调控机制。

生物质室温磷光碳点分为自保护室温磷光碳点和无基质室温磷光碳点两种类型，其光学性能受合成策略的影响，尤其是制备方法、原料种类、杂原子掺杂（氮、磷、氧、硼和卤素等）及复合基体等方面。应用范围可拓展到安全防伪、信息加密、分析传感、生物成像及发光二极管等领域。尽管，生物质室温磷光碳点的发展在短期内取得了长足的进步，但其在构筑及应用方面仍然面临着以下挑战。

1 合成策略的挑战

目前，大部分生物质室温磷光碳点的合成原料均为柠檬酸、氨基酸、维生素和碳水化合物等有价值的生物质分子衍生物，这些生物质可以更好地用于其他领域。理想情况下，未来，生物质室温磷光碳点的合成原料应更多的发展为廉价的生物质废物或其他低值的、未被充分利用的天然材料。揭示生物质室温磷光碳点的形成机制并建立碳点的组成结构与功能之间的对应关系至关重要，以期控制制备具有特定余辉性能的生物质室温磷光碳点，从而满足不同的应用需求。生物质室温磷光碳点可以通过在微波、水热/溶剂热或高温热解过程中加热生物质前驱体制备，在此过程中，大量的前驱体将发生团聚并转化为非磷光性碳聚集体，致使生物质室温磷光碳点的产率降低。另外，由于制备原料的多样及复杂性，生物质室温磷光碳点的纯化过程相对复杂且制备重复率较低。未来，研究人员应优化反应条件，寻找更合适的纯化方法，以合成高质量的生物质室温磷光碳点。在原料选择方面，应选择分子组成易于控制的生物质，有利于系统地探索生物质碳点的室温磷光起源。目前，生物质碳点通常复合单一基质来诱导室温磷光，未来，生物质室温磷光碳点应尝试多组分复合，即结合聚合物、有机和无机化合物三种基质，充分发挥各自优势，同时控制室温磷光颜色、延长寿命、提高量子效率。

2 室温磷光性能的挑战

未来，具有小时级余辉寿命材料的开发备受期待。生物质室温磷光碳点的量子效率和寿命应进一步提高。在碳点内部及外部构筑稳固的刚性结构将有利于延长发光寿命并提高量子效率。基质辅助生物质室温磷光碳点的刚性通常由外部作用力决定，例如氢键、共价键和有机-无机杂化相互作用等，其可以有效稳定磷光三重态激子。尤其是生物质室温磷光碳点与基质之间的桥联可以为复合材料提供显著的耐水性。无基质辅助（自保护）室温磷光碳点来源于“聚集诱导发光”机制，碳点中高度交联的炭化聚合物结构，可以模拟外加基质作用，稳固激发三重态，促进生物质碳点的室温磷光发射。目前，大部分生物质室温磷光碳点的发射均集中在短波长区域（蓝光到绿光），将室温磷光发射拓展到600 nm以上的长波长区域仍然是一项巨大的挑战。对于生物医药应用来说，蓝光和绿光的波长较短，难以穿透深层组织以进行光学成像。此外，目前生物质室温磷光碳点的吸收波长范围较窄，光捕获能力有限，扩大其吸收范围将增强光子的吸收性能，从而优化生物质室温磷光点在光催化和太阳能电池领域的应用。生物质碳点室温磷光发光颜色的调控可以通过电子转移及杂原子掺杂两种途径实现。如果生物质室温磷光碳点和基质的能级与激发三重态一致，则能量从高三重态能级到低三重态能级的转移可导致长波长室温磷光发射的产生。杂原子掺杂将引入多重杂化轨道，从而轻松调控三重态能级，获得具有多种发光颜色的生物质室温磷光碳点。另外，上述策略还有助于延长室温磷光寿命。

3 应用的挑战

目前，生物质室温磷光碳点的应用多集中在安全防伪和信息加密上。未来，新的应用还需要进一步开发。例如，由于生物质室温磷光碳点的生物相容性高于由传统化学品合成的碳点，因此它们可能是生物发光标记物的良好替代品。应拓展生物质室温磷光碳点的生物医药应用，例如药物输送、光动力治疗、骨组织工程和体内生物成像等。此外，通过将生物质碳点的室温磷光性能与其他常见的光物理特征（如上转换发光、圆偏振发光和光热转换）相结合，将拓展其在近红外成像、液晶显示、光诱导海水淡化和相变储能领域中的应用。

新闻小贴士：

刘禹杉，工学博士，2022年6月毕业于东北林业大学林产化学加工工程专业，师从“长江学者”刘守新教授，就读期间于德国哥廷根大学Kai Zhang教授课题组联合培养1年，同年9月入职于陕西科技大学化学与化工学院，当前主要从事于生物质碳基光电功能材料的构筑及应用方面的研究。近年来，主持陕西省自然科学基础研究计划项目、中国兵器工业集团北化研究院青创项目、中央高校基础研究计划项目3项；参与国家重点研究计划、国家工信技术支撑项目中央军委装备发展部装备项目、中央高校基础研究计划项目4项；在国际知名期刊发表SCI论文20余篇，其中以第一作者在Nano Today，Chem，Chemical Engineering Journal，ACS Applied Materials & Interfaces，及Carbohydrate Polymers等国际高水平期刊上发表论文12篇，最新累计影响因子为125.2，H指数18。申请国家发明专利5件。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102257

（核稿：黄文欢 编辑：刘倩）