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鄭州大學盧思宇課題組:生物質碳點的制備、性質和應用最新進展
發布:blast_k   時間:2019/12/5 15:26:54   閱讀:217 
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近日,鄭州大學盧思宇課題組撰寫了題為“Biomass-Derived Carbon Dots and Their Applications”的特邀綜述,梳理總結了近幾年來以生物質為碳源制備碳點的方法及其生物質碳點(BCDs)的相關應用的發展歷程,同時,結合本團隊的研究成果,預測和展望了生物質碳點在光學及其應用中的趨勢。該論文最近在Energy & Environmental Materials期刊上在第3期正式發表(Energy Environ. Mater., 2019, 172-192. DOI:10.1002/eem2.12038.)。


圖1 文章摘要圖

碳點作為最為新型的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,使這種新興材料表現出廣泛的理化特性(例如,光誘導的電子轉移和光致發光),此外生物質作為來源最廣泛,最廉價的碳源,在制備碳點中很容易引入雜原子,使其成為一些重要的環境,生物和能源相關應用的理想平臺。


圖2 近年來BCDs的發展圖

文章主要分為五個部分。第一部分主要對碳點進行了簡介以及闡述了碳源選擇的重要性;第二部分詳細探討了BCDs制備的方法,即水熱碳化法,微波法,熱解法等;第三部分對BCDs的結構性質與光學性質進行了探討;第四部分整理了近年來BCDs的最新研究成果,重點介紹了傳感,藥物傳輸,生物成像,太陽能電池,催化等方面的應用。最后,在第五部分,對BCDs的瓶頸問題、發展方向、應用前景以及面臨的挑戰進行了展望。


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生物質進行熱化學降解的技術,是一種很有前途的將生物質轉化為新型碳材料的技術,具有廣泛的應用前景。水熱法已被用于從生物質碳前體如冬瓜、油菜花、甜椒、柚子、香菜等生物質原料中制備新型碳基材料。


圖4 BCDs的結構表征

BCDs是2?10 nm大小的納米粒子,由經極性氧基官能化的sp2雜化石墨核組成,BCDs表面基團的存在不僅提供了BCDs優異的水溶性,而且還提供了不同類型的進一步的表面功能化。從圖4a、b可以看出,BCDs的TEM圖像具有良好的分散性。大多數BCDs的粒徑/直徑都小于10 nm。目前,大多數BCDs處于均勻分散狀態,結構通常為球形。通過對BCDs的HRTEM檢測,我們可以進一步得到BCDs的結構,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一般表現為碳原子無序化的非晶態。BCDs的XRD圖在20°~ 25°之間通常表現出較寬的衍射峰。BCDs一般含有-OH、C-H、C=O、C=C等化學鍵,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;出現了三個主要的高峰。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)被強烈抑制。D和G峰強度的比值約為0.32。


圖5 BCDs在生物成像方面的應用

BCDs的性能優異,具有容易修飾,毒性低,和出色的熒光性質,這有利于其在細胞和生物體內的應用。除了將藥物分子導入細胞外,BCDs還可作為生物顯像劑,利用BCDs的激發依賴性可以很好的對活細胞進行多色成像或者用于選擇性活細胞熒光成像探針,可以對亞細胞結構進行選擇性染色,除此之外,BCDs還可以用于活體生物內的熒光顯示,經過老鼠自身的循環,可以充分將BCDs排除體外,對生物體基本沒有傷害。


圖6 BCDs在催化方面的應用

BCDs具有獨特的光致發光和光電子轉移特性,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節帶隙,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,這表明碳點在光催化降解中可以發揮很重要的作用;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[email protected]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循環前后[email protected]的穩定性試驗,表明BCDs的加入可以有效提高電催化劑的催化活性和穩定性。

總之,BCDs目前的發展仍然有很多問題,首先是制備的BCDs多為藍綠光,而短波長發射不利于在今后的生物學應用,其次是現在雖然BCDs可以實現公斤級生產,但是高效制備高品質BCDs依然是需要解決的問題,構建基于BCDs及其復合材料并實現其功能應用,有助于拓展碳材料體系在生命、環境、信息、能源等領域的應用,并展望碳點在發光和應用領域的未來發展。

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

來源:高分子科技

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