利用sp3区室化策略实现碳点的高效固态深紫外发光（利用sp3区室化策略实现碳点的高效固态深紫外发光）

利用sp3区室化策略实现碳点的高效固态深紫外发光（利用sp3区室化策略实现碳点的高效固态深紫外发光）Jiahui Xu Qingjing Liang Zijian Li Vladimir Yu. Osipov Yangjian Lin Binghui Ge Qian Xu Junfa Zhu Hong Bi*Rational Synthesis of Solid-State Ultraviolet B Emitting Carbon Dots via Acetic Acid-Promoted Fractions of sp3 Bonding Strategy图2. a）UVB-CDs的合成示意图。b）UVB-CDs和c）N-CDs的高分辨XPS C 1s谱图。d）UVB-CDs和N-CDs在最佳激发下（280和520 nm）的荧光光谱。图3.不同紫外光处理后的a）罗勒生长形态、b）叶绿素含量、c）类胡萝卜素含量和d）抗坏血酸含量统计图。每组重复3次，*（p ≤ 0.05）

安徽大学Adv. Mater.：利用sp3区室化策略实现碳点的高效固态深紫外发光本文来自X-MOLNews

紫外光是频率介于可见光和X射线之间的电磁波，根据其波长可分为三种不同的类别：紫外A波段（UVA，320-400 nm）、紫外B波段（UVB，280-320 nm）和紫外C波段（UVC，200-280 nm）。其中，UVB发射光源在水/空气净化、材料固化、3D打印、植物照明和杀菌等领域都有着广泛的应用前景，从而受到了研究者们广泛的关注。然而，传统的发光器件（如汞灯）毒性大且相关设备较笨重，不仅给实际操作带来不便，还易对消费者和环境造成危害。因此，开发低毒、便携且高效的新型UVB发光材料迫在眉睫。

碳点（CDs）是一种新兴的无金属发光纳米材料，由于具有发光可调、优异的光稳定性和低毒性等诸多优点，在能源转换、光电器件和生物医药等领域均具有巨大的应用潜力。然而，目前将碳点作为发光材料应用到UVB器件中仍面临如下挑战：1）发光位于可见光区的碳点已有较为广泛的研究，然而具有紫外波段发射的报道仍然较少，这是由于合成过程中发光中心的共轭尺寸和元素组成难以精确控制；2）碳点的发射峰较宽（半峰宽通常大于80 nm），限制了其在固态照明等方面的实际应用；3）同有机发光分子类似，碳点也普遍存在聚集诱导发光猝灭的现象，这将对相关器件的发光效率和稳定性造成严重影响。

图1. UVB-CDs的发光光谱、发光机理和用于植物照明的示意图。

基于上述挑战，安徽大学毕红教授（点击查看介绍）课题组提出了一种全新的sp3区室化策略（sp3-compartmentalization strategy），制备了兼具窄发射（半峰宽为24 nm）、高固态量子产率（20.2%）和良好环境适应性等优点的UVB发射碳点（标为UVB-CDs，λmax = 308 nm），并将其应用于促进植物照明（图1和图2a）。该策略是受细胞内部高度区室化结构的启发，其中各细胞器被内膜有效隔开，从而确保各亚细胞生命过程能够互不干扰的正常进行。为了对这一策略进行更好的阐述，将从对比样开始说起。当仅使用邻苯二胺作为前驱体时，水热反应后得到的是具有严重ACQ效应（固态量子产率小于0.1%）且发射峰较宽（94 nm）的红光碳点（标为N-CDs，图2d）。而当在反应原料中加入大量冰醋酸时，碳点中sp3杂化碳原子的比例明显提升（Csp3/Csp2从0.91增加到2.01，图2b-c），使得sp2发光中心的共轭程度显著降低，导致发射波长蓝移至UVB区域（从600 nm到293 nm，图1和图2d）。更重要的是，冰醋酸参与反应带来的大量sp3杂化碳原子能够有效区室化分隔发光中心基元，从而极大程度的降低了发光中心的相互影响以及环境对碳点的干扰，使得UVB-CDs具有较高的固态发光效率以及环境适应性。基于UVB-CDs良好的光学性质，该课题组将其制作成UVB LED进一步应用于植物照明（图3a）。实验结果表明，UVB-CDs能够将对植物有害的UVC光转换为有益的UVB光，使得抗坏血酸和花青素等营养物质的含量得到显著提升（图3b-d）。上述研究成果为碳点结构和性能的合理化设计提供了新的思路，同时拓展了碳点在紫外发光器件中的应用。

图2. a）UVB-CDs的合成示意图。b）UVB-CDs和c）N-CDs的高分辨XPS C 1s谱图。d）UVB-CDs和N-CDs在最佳激发下（280和520 nm）的荧光光谱。

图3.不同紫外光处理后的a）罗勒生长形态、b）叶绿素含量、c）类胡萝卜素含量和d）抗坏血酸含量统计图。每组重复3次，*（p ≤ 0.05）、**（p ≤ 0.01）表示与对照组（组1）的显著差异性。

相关成果发表在期刊Advanced Materials 上。论文第一作者为安徽大学研究生徐佳辉和梁庆晶，通讯作者为安徽大学毕红教授，该工作得到国家自然科学面上基金的资助，同时感谢俄罗斯科学院约飞研究所Vladimir Yu. Osipov教授、安徽大学物质科学研究院葛炳辉教授、中国科技大学国家同步辐射实验室朱俊发教授在材料结构表征和解析上的帮助和支持。

Rational Synthesis of Solid-State Ultraviolet B Emitting Carbon Dots via Acetic Acid-Promoted Fractions of sp3 Bonding Strategy

Jiahui Xu Qingjing Liang Zijian Li Vladimir Yu. Osipov Yangjian Lin Binghui Ge Qian Xu Junfa Zhu Hong Bi*

Adv. Mater. 2022 DOI: 10.1002/adma.202200011

导师介绍

毕红

https://www.x-mol.com/university/faculty/8510