1月22日，Cell Press细胞出版社旗下材料旗舰期刊Matter在线发表了题为“ZnCl2Enabled Synthesis of Highly Crystalline and Emissive Carbon Dots with Exceptional Capability to Generate O2•–”的研究论文，论文的通讯作者为中国科学院理化技术研究所吴骊珠院士和冯科副研究员，第一作者为中国科学院理化技术研究所硕士生位思梦。
碳点，主要由含量丰富的碳元素组成，具有稳定性高、毒性低、生物相容性好的特点，是应用前景广泛的碳纳米材料。通常制备发光碳点是从小分子前体出发，经热分解、水/溶剂热、微波热解、化学氧化等方法，但受制于反应条件（高压、高温）、溶剂相容性、实验设备、后处理方式（色谱、渗析）等，在温和条件下大量合成发光碳点的方法备受关注，制备兼具高结晶性和高发光效率的碳点充满挑战。
图1：制备高结晶性和高发光效率的碳点
中国科学院理化技术研究所超分子光化学研究中心吴骊珠团队发展了高结晶性发光碳点的通用合成方法。研究人员利用低熔点ZnCl2在有机溶剂的溶解性和路易斯酸性，使含氧和氮元素的有机分子前体受热脱水、碳化，在较低温度下制备了系列荧光碳点，从蓝色到橙红色发光碳点可通过有机分子前体的结构和组合进行调控。如图1所示，当单一8-羟基喹啉为前体时所得发光碳点为蓝绿色，单一对苯二胺为前体时所得发光碳点为黄绿色，而以8-羟基喹啉和对苯二胺的组合为前体时所得发光碳点为橙红色。由于ZnCl2易溶于乙醚等有机溶剂，高结晶发光碳点能够通过简单的沉淀-过滤分离纯化，合成收率超过50%，并进行克级的放量制备。
图2：高结晶发光碳点的表征
借助高分辨透射电镜、球差电镜、X射线吸收精细结构谱、紫外光电子能谱、X-射线光电子能谱、核磁、红外、拉曼谱等表征手段，研究人员确认所得碳点具有硬核-软壳的结构，粒径均匀，大小为4~6 nm。碳点的硬核具有高结晶性结构，而软的外壳含有羟基、羧基等活性官能团。光谱研究表明碳点发光可覆盖整个可见光区域，蓝、绿、黄、橙四种典型碳点在339 nm处的吸光系数为15.4~23.7 L g–1 cm–1，发光量子效率高达39%。能态结构分析表明发光碳点的导带电位+1.45~1.82 V，价带电位–0.65~0.94 V，能带在2.1~2.8 eV区间。
得益于独特的硬核-软壳结构，高结晶性发光碳点在可见光激发下能够高效产生超氧阴离子自由基（O2•–），量子效率高达1.08%，在光动力治疗和光催化反应等方面表现出色。一方面，发光碳点光毒性高和暗毒性低，对于肿瘤细胞体外实验和荷瘤小鼠体内实验具有优秀的光动力治疗效果；另一方面，发光碳点可见光响应强和溶解性好，对于可见光催化的有机转换具有显著提升，借助微流控装置，发光碳点10分钟即可使模型药物米非司酮的衍生化反应产率达到90%。
图3：高结晶发光碳点的应用
综上，这一研究成果提供了规模制备高结晶发光碳点的新方法，并为设计性能优异的碳材料及其实际应用奠定了基础。
论文通讯作者介绍
关于 吴骊珠 院士
吴骊珠，1990年毕业于兰州大学化学系，获学士学位。1995年毕业于中国科学院感光化学研究所，获博士学位。毕业后留所工作，历任助理研究员、副研究员、研究员。1997年至1998年赴香港大学化学系从事博士后研究。现为中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师。长期致力于光化学研究，涉及太阳能光化学转换、光化学合成与技术、超分子体系中重要的光物理和光化学过程。曾获国家自然科学基金杰出青年基金资助（2001）、国家自然科学二等奖（2005，第二完成人）、中国青年科技奖（2007）、中国青年女科学家奖（2010）、中国化学会-物理有机化学奖（2013）、中国化学会-赢创化学创新奖（2016）、国家万人计划百千万工程领军人才（2016）。2019年当选中国科学院院士。
关于 冯科 副研究员
冯科，2002年毕业于武汉大学，获学士学位。2007年毕业于中国科学院理化技术研究所，获博士学位。2007年至2009年在美国佐治亚理工学院有机光电子中心从事博士后研究。2009年回到中国科学院理化技术研究所工作，2013年晋升为副研究员，硕士生导师。主要从事超分子光化学和有机/无机/高分子复合材料的研究。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
论文标题：
ZnCl2 Enabled Synthesis of Highly Crystalline and Emissive Carbon Dots with Exceptional Capability to Generate O2•–
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.12.029
