1、什么是碳量子点

物质的许多性质取决于物质中活泼电子的状态，而电子状态取决于电子所处的空间势能，随着物质尺寸的降低，电子的运动受到限制，按照电子受限的空间维数，将物质分为如图1所示块体、量子阱、量子线和量子点。碳量子点（carbon quantum dots，C-dots），又称碳点或者碳纳米点，是一类尺寸在10nm以下的碳纳米材料。更广泛的定义为在水中或者其他悬浮液中的小碳纳米颗粒。

图1块体、量子阱、量子线、量子点

2、碳量子点的优势

相对于传统的半导体量子点和有机染料，这位碳家族中的新成员不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点，而且还拥有发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无可比拟的优势。虽然在某些性能方面，稀土荧光纳米颗粒可以与之媲美，但是稀土元素昂贵的价格极大地限制了其在实际生产中的应用。因此，对碳量子点这一新兴领域的研究必将对材料科学的发展产生重大影响，它也会为碳家族赢得更多的荣耀。

Xu 等在2004年首次发现碳量子点后，其合成、性质、应用等方面在近十几年来都取得了巨大的进步。 发光CQDs 具有高水溶性、强化学稳定性、易于功能化、抗光漂白性以及优异的生物特性,良好的生物相容性,在生物医学(生物成像、生物传感、药物传输等)有潜在的应用前景.同时,CQDs 具有优良的光电性质,既可以作为电子给体又可以作为电子受体,这使得它在光电子、光催化和纳米传感等领域有广泛的应用价值，如图2所示。

图2 碳量子点独特的性质在生物医学、光电子学、光催化和纳米传感器等方面潜力巨大

3、 碳量子点的制备方法

过去的十几年,各种制备碳量子点的方法被提出来,这些方法大致分为“自上而下(Top-down)”和“自下而上(Bottom-up)”两种,如图3所示，在CQDs 的合成过程中,还可以通过功能化、掺杂和纳米杂化实现碳量子点的改性。自上而下的方法一般是分解大的碳结构，比分解金刚石、石墨、碳纳米管、活性炭和石墨氧化物等，分解方法像电弧放电、激光烧蚀、电化学氧化等。而自下而上的方法则是通过像柠檬酸、糖类和不饱和聚酯等分子前驱体，方法为微波辅助法、燃烧热处理法、支撑合成法等。

图3 碳量子点制备方法示意图

碳量子点的制备过程中需要注意三个问题：1）可以通过电化学等方法避免在碳化时碳质聚合。2) 注意控制尺寸和均匀性，这对碳量子点的性能十分重要，可以通过后处理达到这个目的，比如凝胶电泳、离心分离和透析等。3）溶解度和应用的关键在于碳量子点表面的性质，可以在制备和后处理时调整。

4、碳量子点的应用

4.1 光电子领域

4.1.1 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。

图4 碳量子点在染料敏化太阳能电池的应用

4.1.1 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。

图5 碳量子点在LED中的应用

近来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。

图6 白光LED的发光光谱（插图3.6V的驱动电压下的白光LED）和CIE坐标位置

 

4.2 生物医学领域

4.2.1 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。

图7 活体内的碳量子点荧光成像图

4.2.1 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。

 

图8 碳量子点在生物医学传递系统的应用

4.3 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。

图9碳量子点在传感器的应用

4.4  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。

图10 碳量子点/介孔TiO2光催化示意图

5、碳量子点在我国的产业化之路

5.1 碳量子点的研究现状

碳量子点自2004年发现，2006年命名，从2007年到2016年3月，其出版论文逐年递增，其中以我国的科研工作者贡献最多。如图11所示（数据来源：ISI Web of Knowledge）。

图11 碳量子点论文出版数统计

5.2 国家政策对碳量子点产业化的推进

《中国制造2025》十大重点领域之一的新材料领域指出，以特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、特种无机非金属材料和先进复合材料为发展重点，加快研发先进熔炼、凝固成型、气相沉积、型材加工、高效合成等新材料制备关键技术和装备，加强基础研究和体系建设，突破产业化制备瓶颈。积极发展军民共用特种新材料，加快技术双向转移转化，促进新材料产业军民融合发展。高度关注颠覆性新材料对传统材料的影响，做好超导材料、纳米材料、石墨烯、生物基材料等战略前沿材料提前布局和研制。

国家重点基础研究发展计划（973计划）将纳米研究和量子调控作为重大科研计划，重点研究纳米材料的可控制备、自组装和功能化，纳米材料的结构、优异特性及其调控机制，纳加工与集成原理，概念性和原理性纳器件，纳电子学，纳米生物和医学，分子聚集体和生物分子的光、电、磁学性质及信息传递，单分子行为与操纵，分子机器，纳米表征度量学等。建立纳米材料、纳米器件、纳米生物和医学研究体系，形成若干在国际上有带头作用的研究群体。研究开发纳米材料及器件的设计与制造技术，纳米级互补型金属氧化物半导体（CMOS）器件，纳米药物载体，纳米能源转换、环境净化和信息存储材料。

随着国家发展需要和碳量子点研究的深入，碳量子点作为新兴的纳米材料，其产业化必将受到推进。

5.2 我国生产碳量子点的企业

5.2.1 北京北达聚邦科技有限公司

5.2.2 南京捷纳思新材料有限公司

5.2.3 苏州星烁纳米科技有限公司

5.3 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.

5.4 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。

附录

碳量子点制备方法汇总

参考文献

[1] 王富，刘春艳. 发光碳量子点的合成及应用.  影像科学与光化学 2011(4).

[2] Xu X Y,Ray R,Gu Y L,et al. Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube ragments [J]. J Am Chem Soc,2004 ,126(40):12735-12737

[3] Wang Y F,Hu A G. Carbon quantum dots: synthesis, properties and applications. [J]. J. Mater. Chem. C, 2014, 2,6921

[4] Ran Miao, Zhu Luo, Wei Zhong,et al. Mesoporous TiO2 Modified with Carbon Quantum Dots as a High-Performance Visible Light Photocatalyst, Applied Catalysis B, Environmental http://dx.doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.01.070

[5] Pengju G. Luo,a Sushant Sahu,a Sheng-Tao Yang,et al. Carbon “quantum” dots for optical bioimaging. [J]. J. Mater. Chem. B,2013,02,19

[6] Xiaoting Feng, Feng Zhang, Yaling Wang,et al. Fluorescent Carbon Quantum Dots as Single Light Converter for White LEDs. [J].Journal of electronic materials.2016,02,25

[7] Pengli Zuo, Xiuhua Lu, Zhigang Sun,et al. A review on syntheses, properties, characterization and bioanalytical applications of fluorescent carbon dots. Microchim Acta (2016) 183:519–542

本文由张磊授权新材料在线发布，如需转载，请加小编微信：13510323202，并注明“媒体合作”。未经允许私自转载或未按照要求格式转载，新材料在线将保留追究其法律责任的权利。