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  近日，鄭州大學(xué)盧思宇課題組撰寫了題為“Biomass-Derived Carbon Dots and Their Applications”的特邀綜述，梳理總結(jié)了近幾年來以生物質(zhì)為碳源制備碳點(diǎn)的方法及其生物質(zhì)碳點(diǎn)（BCDs）的相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展歷程，同時(shí)，結(jié)合本團(tuán)隊(duì)的研究成果，預(yù)測和展望了生物質(zhì)碳點(diǎn)在光學(xué)及其應(yīng)用中的趨勢。該論文最近在Energy & Environmental Materials期刊上在第3期正式發(fā)表（Energy Environ. Mater., 2019, 172-192. DOI:10.1002/eem2.12038.）。

圖1 文章摘要圖

  碳點(diǎn)作為最為新型的0 D碳納米材料，具有小尺寸（小于10 nm），表面易于修飾的特點(diǎn)，使這種新興材料表現(xiàn)出廣泛的理化特性（例如，光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移和光致發(fā)光），此外生物質(zhì)作為來源最廣泛，最廉價(jià)的碳源，在制備碳點(diǎn)中很容易引入雜原子，使其成為一些重要的環(huán)境，生物和能源相關(guān)應(yīng)用的理想平臺(tái)。

圖2 近年來BCDs的發(fā)展圖

  文章主要分為五個(gè)部分。第一部分主要對(duì)碳點(diǎn)進(jìn)行了簡介以及闡述了碳源選擇的重要性；第二部分詳細(xì)探討了BCDs制備的方法，即水熱碳化法，微波法，熱解法等；第三部分對(duì)BCDs的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了探討；第四部分整理了近年來BCDs的最新研究成果，重點(diǎn)介紹了傳感，藥物傳輸，生物成像，太陽能電池，催化等方面的應(yīng)用。最后，在第五部分，對(duì)BCDs的瓶頸問題、發(fā)展方向、應(yīng)用前景以及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

圖3 水熱法制備BCDs的原理圖

  水熱法是一種在高溫高壓下利用水對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)降解的技術(shù)，是一種很有前途的將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為新型碳材料的技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。水熱法已被用于從生物質(zhì)碳前體如冬瓜、油菜花、甜椒、柚子、香菜等生物質(zhì)原料中制備新型碳基材料。

圖4 BCDs的結(jié)構(gòu)表征

  BCDs是2?10 nm大小的納米粒子，由經(jīng)極性氧基官能化的sp²雜化石墨核組成，BCDs表面基團(tuán)的存在不僅提供了BCDs優(yōu)異的水溶性，而且還提供了不同類型的進(jìn)一步的表面功能化。從圖4a、b可以看出，BCDs的TEM圖像具有良好的分散性。大多數(shù)BCDs的粒徑/直徑都小于10 nm。目前，大多數(shù)BCDs處于均勻分散狀態(tài)，結(jié)構(gòu)通常為球形。通過對(duì)BCDs的HRTEM檢測，我們可以進(jìn)一步得到BCDs的結(jié)構(gòu)，如晶格條紋間距。圖4b的插圖顯示了晶格間距為0.21 nm的BCDs的HRTEM圖像。BCDs的XRD一般表現(xiàn)為碳原子無序化的非晶態(tài)。BCDs的XRD圖在20°~ 25°之間通常表現(xiàn)出較寬的衍射峰。BCDs一般含有-OH、C-H、C=O、C=C等化學(xué)鍵，可能有C-N和C-S鍵。BCDs中主要包括C、N、O、S等元素。圖4j描述了制備的BCDs的拉曼光譜;出現(xiàn)了三個(gè)主要的高峰。缺陷D峰與G峰分別在1350 cm^-1和1580 cm^-1附近，而2D峰（~ 2700 cm^-1）被強(qiáng)烈抑制。D和G峰強(qiáng)度的比值約為0.32。

圖5 BCDs在生物成像方面的應(yīng)用

  BCDs的性能優(yōu)異，具有容易修飾，毒性低，和出色的熒光性質(zhì)，這有利于其在細(xì)胞和生物體內(nèi)的應(yīng)用。除了將藥物分子導(dǎo)入細(xì)胞外，BCDs還可作為生物顯像劑，利用BCDs的激發(fā)依賴性可以很好的對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行多色成像或者用于選擇性活細(xì)胞熒光成像探針，可以對(duì)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性染色，除此之外，BCDs還可以用于活體生物內(nèi)的熒光顯示，經(jīng)過老鼠自身的循環(huán)，可以充分將BCDs排除體外，對(duì)生物體基本沒有傷害。

圖6 BCDs在催化方面的應(yīng)用

  BCDs具有獨(dú)特的光致發(fā)光和光電子轉(zhuǎn)移特性，可作為制備高性能光催化劑的活性組分。BCDs不僅可用作光敏劑，還可用作光催化劑、光譜轉(zhuǎn)換器或光催化過程中的單一光催化劑。BCDs的雜原子摻雜和金屬摻雜可以調(diào)節(jié)帶隙，具有一定的催化性能。圖6a在NIR光下BCDs基碳催化劑還原8分鐘之前和之后4-硝基苯酚水溶液的照片，圖6b是在不存在和存在BCDs基的情況下以及在不同的照射條件下RB的光降解曲線，這表明碳點(diǎn)在光催化降解中可以發(fā)揮很重要的作用；圖6c d圖是飽和N₂和O₂氛圍中電極的CVs圖和線性掃描伏安圖；圖6e f為Ru@BCDs和BCDs、Ru粉、5 %商用Ru/C和20 %商用Pt/C的極化曲線，以及1 M KOH循環(huán)前后Ru@BCDs的穩(wěn)定性試驗(yàn)，表明BCDs的加入可以有效提高電催化劑的催化活性和穩(wěn)定性。

  總之，BCDs目前的發(fā)展仍然有很多問題，首先是制備的BCDs多為藍(lán)綠光，而短波長發(fā)射不利于在今后的生物學(xué)應(yīng)用，其次是現(xiàn)在雖然BCDs可以實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)生產(chǎn)，但是高效制備高品質(zhì)BCDs依然是需要解決的問題，構(gòu)建基于BCDs及其復(fù)合材料并實(shí)現(xiàn)其功能應(yīng)用，有助于拓展碳材料體系在生命、環(huán)境、信息、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用，并展望碳點(diǎn)在發(fā)光和應(yīng)用領(lǐng)域的未來發(fā)展。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/eem2.12038