傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)雖然展現(xiàn)出良好的光學(xué)性能和巨大的應(yīng)用潛力，但由于其固有毒性強(qiáng)、對環(huán)境危害大等缺點(diǎn)，無法滿足生物相容性和環(huán)境友好性的要求，極大地限制了其應(yīng)用。碳點(diǎn)（CDs）于2004年被發(fā)現(xiàn)，粒徑一般小于10 nm，帶有熒光屬性。CDs具有低毒性、良好生物相容性和優(yōu)異光穩(wěn)定性，有望作為半導(dǎo)體量子點(diǎn)的代替品。與碳納米洋蔥、富勒烯、碳納米管、納米金剛石、石墨烯及其衍生物等其他碳納米材料相比，CDs結(jié)合了量子點(diǎn)的光學(xué)性能和碳納米材料的物理化學(xué)性能，具有更大的優(yōu)勢。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對CDs的合成、熒光機(jī)理及應(yīng)用前景等方面進(jìn)行了綜述。然而，CDs的發(fā)展日新月異。同時(shí)，CDs的合成、熒光機(jī)理和應(yīng)用不是孤立存在的，而是相互影響、相互促進(jìn)的，目前仍缺乏CDs的合成、熒光機(jī)理和應(yīng)用的全面綜述。

深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院龍武劍課題組綜述了碳點(diǎn)（CDs）的典型制備方法、普遍接受的熒光機(jī)理和應(yīng)用前景。相關(guān)論文以“The synthetic strategies, photoluminescence mechanisms and promising applications of carbon dots: Current state and future perspective”為題，于2021年發(fā)表在Carbon上。

（1）制備方法

根據(jù)碳源的不同，CDs的制備方法可分為自上而下和自下而上兩類。自上而下法是將大尺寸石墨烯、碳納米管、碳納米纖維或其他大塊碳材料分解成CDs；而自下而上法是通過小分子或聚合物的聚合和碳化來實(shí)現(xiàn)的。這兩類方法均可通過化學(xué)氧化、激光燒蝕、電化學(xué)合成、水熱/溶劑熱合成、熱解反應(yīng)和微波處理來實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)外學(xué)者對CDs的制備進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了巨大的進(jìn)展。無論采用哪種方法，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，均可改變CDs的熒光顏色、熒光量子產(chǎn)率、尺寸、親疏水性和表面基團(tuán)，使CDs在生物醫(yī)學(xué)、傳感、光電子等各個(gè)領(lǐng)域顯示出相當(dāng)大的前景。其中，水熱/溶劑熱法被認(rèn)為是最理想的有效制備CDs的方法。該法可輕松制備具有高熒光量子產(chǎn)率、多色發(fā)射和均勻尺寸的特異性CDs，從而被廣泛應(yīng)用。此外，為實(shí)現(xiàn)CDs的綠色、快速、簡便、大規(guī)模制備，氣相爆轟、磁熱、自放熱反應(yīng)和醛醇縮合等方法被相繼開發(fā)。然而，到目前為止，仍有不可避免的缺點(diǎn)（如CDs的光學(xué)性質(zhì)和尺寸無法精確控制、純度低、生產(chǎn)不連續(xù)等）需要克服，極大地限制了CDs的應(yīng)用潛力。

圖1 化學(xué)氧化法制備CDs

圖2 電化學(xué)法制備CDs

圖3 水熱/溶劑熱法制備CDs

圖4 熱解法制備CDs

圖5 微波法制備CDs

（2）熒光機(jī)理

不同的反應(yīng)方法、條件和原料合成的CDs的結(jié)構(gòu)和熒光性質(zhì)各不相同，使其熒光機(jī)理的研究成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。經(jīng)過十多年的不斷探索，CDs的熒光機(jī)理研究取得了較大進(jìn)展。目前為止，最普遍接受的熒光機(jī)理主要有表面態(tài)、碳核態(tài)、分子態(tài)及其協(xié)同效應(yīng)。

最近，有學(xué)者提出了一種半經(jīng)驗(yàn)方法來定量測定CDs的能級(jí)。這有助于深入理解CDs的光學(xué)特征。總之，對于CDs的熒光機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并達(dá)成了一些共識(shí)。然而，由于目前能夠明確CDs結(jié)構(gòu)的儀器較少，且經(jīng)過透析或柱層析處理后，CDs不可避免地含有一些雜質(zhì)。因此，對CDs的熒光機(jī)理仍不完全了解。為了更好地理解CDs的熒光機(jī)理，還需要進(jìn)一步研究其理論計(jì)算、純化方法和精確的結(jié)構(gòu)表征。

圖6熒光機(jī)理：表面態(tài)

圖7 熒光機(jī)理：碳核態(tài)

圖8 熒光機(jī)理：分子態(tài)

（3）應(yīng)用前景

由于CDs具有優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的生物相容性、卓越的催化性能、超小的體積、無毒、環(huán)境友好等優(yōu)良特性，在生物醫(yī)學(xué)、傳感、催化、光電器件和潤滑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對CDs性能研究的深入，已經(jīng)探索了CDs在植物系統(tǒng)、防腐、油氣生產(chǎn)、燃料、3D打印、功能材料、指紋檢測、信息加密與防偽等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖9 CDs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

圖10 CDs在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

圖11 CDs在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

圖12 CDs在光學(xué)器件領(lǐng)域的應(yīng)用

本文系統(tǒng)地綜述了CDs的合成策略、熒光機(jī)理及應(yīng)用前景等方面的研究進(jìn)展。目前為止，水熱/溶劑熱法是最常用的CDs制備方法。該法更方便、高效，更重要的是可輕松可控地制造具有高熒光量子產(chǎn)率和多色熒光發(fā)射的特應(yīng)性CDs。表面態(tài)、碳核態(tài)、分子態(tài)及其協(xié)同效應(yīng)等CDs的熒光機(jī)理已被越來越多的研究人員廣泛接受。由于CDs具有優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的生物相容性、卓越的催化性能、超小的體積、無毒、環(huán)境友好等優(yōu)良特性，在生物醫(yī)學(xué)、傳感、催化、光電器件和潤滑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。盡管現(xiàn)有的研究在合成方法、熒光機(jī)理和應(yīng)用等方面取得了巨大進(jìn)展，但還有許多重大問題亟待解決：缺乏精確可控的制備方法；缺乏快速、綠色、經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化制備CDs的方法；CDs結(jié)構(gòu)不清晰；熒光機(jī)理仍需進(jìn)一步揭示；缺乏成熟、大規(guī)模的應(yīng)用場景等。