碳量子點的主要應用

2020-12-05 電子發燒友

碳量子點的主要應用

發表於 2018-01-15 15:48:46

碳量子點的研究引起了國內外學者的廣泛關注，近年來更是掀起了以天然物質為碳源製備碳量子點的研究熱潮。

碳元素是自然界中含量最豐富的元素之一，也是構成生命體最基本的元素。近年來，含碳納米材料引起了廣泛的研究興趣，如碳納米管、富勒烯等。但由於其自身缺陷，如納米金剛石製作成本和分離成本過高、碳納米管水溶性較差，且不是有效的光學發射體（尤其在可見光範圍內），在很大程度上限制了這些碳材料更為廣泛的應用。碳基納米點是一種新型的零維碳納米材料，相比於傳統的碳材料，其製作成本、分離成本更為低廉。此外，其表面有較多親水基團，因而具有更好的水溶性。

碳基納米點簡稱碳點，如圖1所示，可分為石墨烯量子點、碳量子點、聚合物點。碳量子點是由分散的類球狀顆粒組成，尺寸在10nm以下，具有螢光性質的新型納米碳材料。2004年，XU等首次在電泳法製備單壁碳納米管的純化過程中製備出一種具有尺寸相關的螢光性質的碳材料。SUN等在2006年通過表面鈍化合成了具有增強螢光發射效應的螢光納米顆粒，並將其命名為碳量子點。此外，WANG等在2011年通過分離蠟燭燃燒的菸灰得到尺寸小於2nm的碳量子點，研究表明該碳量子點是單純sp2雜化的共軛體系。

碳量子點的應用

光電子領域

燃料敏化太陽能電池

李等人開發了碳量子點橋連半導體和羅丹明的高效光電轉換系統，如圖4所示，碳量子點在其中作為光生電子傳遞媒介的同時有效抑制了它們的複合，因此顯著的提高了光電轉換效率。碳量子點將其轉換效率提高了7倍。

發光二極體

碳量子點發光穩定、成本低和環境友好性，是一類重要發光二極體材料。如圖5為碳量子點在LED中的應用，A）碳量子點夾在LED中作為單一發光層結構，B）為藍色，青色，品紅色，和白色電致致發光（EL）光譜和真正的顏色照片。通過電流密度可以改變發光顏色的，通過改變電子傳輸層的材料和電極厚度，可以優化純藍色和白色的發射，這對LED的發展是有用的。

有報導馮等人用一步水熱法製備出用於白光LED的單一光轉換器的光致發光碳量子點。得到的白光LED色溫為5584K，CIE坐標為（0.32，0.37），如圖6所示。

生物醫學領域

生物成像

碳量子點作為一種納米螢光材料，由於其生物相容性和生物低毒性，在生物成像具有巨大的潛力。如圖7為碳量子點活體內成像的圖片。

生物醫學傳遞系統

這個很有前景的系統將藥物治療和生物成像診斷相結合，監控藥物藥物的視覺分布和它們所產生的影響，通過將抗癌藥物加到碳量子點表面，結合碳量子點的光學性質和抗癌劑的治療性能，得到很好的生物相容性、生物成像功能和治療性能。有利於控制藥物注射時間和注射劑量，如圖8（A）所示。圖8（B）將碳量子點與金納米顆粒耦合後，與PE-DNA結合，將DNA傳遞到細胞中。通過檢測螢光信號可以追蹤DNA的釋放。實現顯著的DNA轉錄效率。

傳感器領域

當受到外部物理或者化學刺激時，可以通過檢測碳量子點的螢光強度的變化來追蹤物質以及數量的變化，比如DNA、凝血酶、亞硝酸鹽、葡萄糖、pH和一些金屬離子等。如圖9為碳量子點作為H2S傳感器的示意圖。

催化領域

可用於電化學和光電化學催化制氫的新材料對於能源的可再生是十分重要的，碳量子點由於其優異的特性，在這一領域也是擁有相當大的潛力，如圖10為碳量子點用於光催化的示意圖。由於碳量子點的上轉換性能和電子回收性，複合材料的光催化性能在可見光下得到顯著提高。

阻礙碳量子點產業化的問題

1.缺乏標準化研究，給定量分析帶來了困難。

2.製備和生物分子偶聯缺乏統一和標準的工藝，缺乏標準樣品，實驗結果之間無法進行比較。

3.納米粒子的生物安全性尚未完全解決。

碳量子點的展望

隨著工業化進程和團簇化學以及超分子化學的發展，碳量子點一部分應用被開發出來，有的應用，比如電子的傳輸和儲存還沒有被充分的利用起來。未來我們希望更簡便的合成方法和更創新的應用被開發出來。與傳統量子點相比較，由於碳量子點的無毒性，在生物技術和環境應用將會有更加大的影響。此外，碳量子點獨特的光誘導的電子轉移能力，以及優秀的光吸收能力， 將在光催化和光伏應用大放異彩。精心設計的碳複合材料有可能增加下一代儲能、光伏設備、催化劑和傳感器的能力。通過表面和帶隙修改，以期望為綠色化學和能源問題提供幫助。

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