碳量子点的主要应用 - 全文

碳量子点的研究引起了国内外学者的广泛关注，近年来更是掀起了以天然物质为碳源制备碳量子点的研究热潮。

碳元素是自然界中含量最丰富的元素之一，也是构成生命体最基本的元素。近年来，含碳纳米材料引起了广泛的研究兴趣，如碳纳米管、富勒烯等。但由于其自身缺陷，如纳米金刚石制作成本和分离成本过高、碳纳米管水溶性较差，且不是有效的光学发射体（尤其在可见光范围内），在很大程度上限制了这些碳材料更为广泛的应用。碳基纳米点是一种新型的零维碳纳米材料，相比于传统的碳材料，其制作成本、分离成本更为低廉。此外，其表面有较多亲水基团，因而具有更好的水溶性。

碳基纳米点简称碳点，如图1所示，可分为石墨烯量子点、碳量子点、聚合物点。碳量子点是由分散的类球状颗粒组成，尺寸在10nm以下，具有荧光性质的新型纳米碳材料。2004年，XU等首次在电泳法制备单壁碳纳米管的纯化过程中制备出一种具有尺寸相关的荧光性质的碳材料。SUN等在2006年通过表面钝化合成了具有增强荧光发射效应的荧光纳米颗粒，并将其命名为碳量子点。此外，WANG等在2011年通过分离蜡烛燃烧的烟灰得到尺寸小于2nm的碳量子点，研究表明该碳量子点是单纯sp2杂化的共轭体系。

碳量子点的应用

光电子领域

燃料敏化太阳能电池

李等人开发了碳量子点桥连半导体和罗丹明的高效光电转换系统，如图4所示，碳量子点在其中作为光生电子传递媒介的同时有效抑制了它们的复合，因此显著的提高了光电转换效率。碳量子点将其转换效率提高了7倍。

发光二极管

碳量子点发光稳定、成本低和环境友好性，是一类重要发光二极管材料。如图5为碳量子点在LED中的应用，A）碳量子点夹在LED中作为单一发光层结构，B）为蓝色，青色，品红色，和白色电致致发光（EL）光谱和真正的颜色照片。通过电流密度可以改变发光颜色的，通过改变电子传输层的材料和电极厚度，可以优化纯蓝色和白色的发射，这对LED的发展是有用的。

有报道冯等人用一步水热法制备出用于白光LED的单一光转换器的光致发光碳量子点。得到的白光LED色温为5584K，CIE坐标为（0.32，0.37），如图6所示。

生物医学领域

生物成像

碳量子点作为一种纳米荧光材料，由于其生物相容性和生物低毒性，在生物成像具有巨大的潜力。如图7为碳量子点活体内成像的图片。

生物医学传递系统

这个很有前景的系统将药物治疗和生物成像诊断相结合，监控药物药物的视觉分布和它们所产生的影响，通过将抗癌药物加到碳量子点表面，结合碳量子点的光学性质和抗癌剂的治疗性能，得到很好的生物相容性、生物成像功能和治疗性能。有利于控制药物注射时间和注射剂量，如图8（A）所示。图8（B）将碳量子点与金纳米颗粒耦合后，与PE-DNA结合，将DNA传递到细胞中。通过检测荧光信号可以追踪DNA的释放。实现显著的DNA转录效率。

传感器领域

当受到外部物理或者化学刺激时，可以通过检测碳量子点的荧光强度的变化来追踪物质以及数量的变化，比如DNA、凝血酶、亚硝酸盐、葡萄糖、pH和一些金属离子等。如图9为碳量子点作为H2S传感器的示意图。

催化领域

可用于电化学和光电化学催化制氢的新材料对于能源的可再生是十分重要的，碳量子点由于其优异的特性，在这一领域也是拥有相当大的潜力，如图10为碳量子点用于光催化的示意图。由于碳量子点的上转换性能和电子回收性，复合材料的光催化性能在可见光下得到显著提高。

阻碍碳量子点产业化的问题

1.缺乏标准化研究，给定量分析带来了困难。

2.制备和生物分子偶联缺乏统一和标准的工艺，缺乏标准样品，实验结果之间无法进行比较。

3.纳米粒子的生物安全性尚未完全解决。

碳量子点的展望

随着工业化进程和团簇化学以及超分子化学的发展，碳量子点一部分应用被开发出来，有的应用，比如电子的传输和储存还没有被充分的利用起来。未来我们希望更简便的合成方法和更创新的应用被开发出来。与传统量子点相比较，由于碳量子点的无毒性，在生物技术和环境应用将会有更加大的影响。此外，碳量子点独特的光诱导的电子转移能力，以及优秀的光吸收能力， 将在光催化和光伏应用大放异彩。精心设计的碳复合材料有可能增加下一代储能、光伏设备、催化剂和传感器的能力。通过表面和带隙修改，以期望为绿色化学和能源问题提供帮助。