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安全无毒 绿色环保 价廉物美
复旦大学熊焕明课题组创新碳点制备方法
发明“水热-柱色谱”合成-分离新方法,打破碳点研究瓶颈

作者:肖暖暖摄影:张琦发布时间:2018-09-17

新闻中心讯 碳点(carbon dots)自2004年被发现以来,受到国际学术界的广泛关注和深入研究,迄今发表的学术论文数以万计。碳点是纳米碳材料家族中继碳笼、碳纳米管、石墨烯之后,新一代革命性创新材料。从最初发现碳点具有与众不同的荧光特性到今天,碳点在发光器件、生物成像、光热治疗、光电催化、电化学储能等诸多领域都展现出诱人的前景。

碳点的独特之处在于——其他碳材料含碳量接近100%,而碳点中含有大量非金属元素如氧、氢、氮、硫等等,这些杂元素总量甚至超过碳元素本身。这样的特征一方面给碳点带来了极其丰富的组成结构与意想不到的优异性能,另一方面导致碳点分离纯化的困难,其组成结构与性能机理之间的关系难以确定。

复旦大学化学系教授熊焕明课题组多年来专注研究碳点相关问题,他们采用水热-溶剂热法合成碳点的技术已经成熟,合成的产品具有安全无毒、绿色环保、价廉物美的明显优势。最近,课题组还创新地应用柱色谱分离技术对碳点进行高效分离,获得尺寸均匀、性能一致的产品。课题组在国际重要学术刊物上发表了一系列论文,并被国内外同行大量引用,申请了中国发明专利并获得授权。其中,有望产业化的碳点研究成果将亮相2018年中国国际工业博览会。

发光波长可调的一系列碳点水溶液,及其发光调变的原理

安全环保 价廉物美 碳点产业化优势显著

合成碳点的原料极其丰富,从化学实验室常见的有机物到日常生活中含碳的生物质,如蔗糖、酒精、牛奶、柠檬汁、果皮、果壳、树叶、杂草、废纸等,文献中都有报道。合成碳点的方法也是多种多样,既有“自上而下”的物理技术,也有“自下而上”的化学制备。

在百家争鸣的研究热潮中,熊焕明课题组发明了绿色化学合成方法,摒弃了有毒害的化工原料和复杂的生产工艺,为日后的产业化做好准备。

“我们在碳点合成时考虑到产业化的需求,只用少量廉价的化学试剂、大量的水与天然原料,用简单的一步化学反应就能大量合成。”熊焕明介绍:“更重要的是,碳点从原料到最终产品,整个过程安全、绿色、环保,产品本身也没有任何生物毒性。”

红光碳点水溶液及其干燥后的粉末

打破常规 创新技术 将有机化学分离方法用于无机材料

性能优越的碳点背后有什么秘密?熊焕明介绍,课题组将有机化学合成中常用的柱色谱分离方法创新地应用于碳点产品分离,获得尺寸均匀、性能一致的产品,确定了碳点组成结构与性能机理之间的关系,突破了碳点研究中的关键瓶颈。

在此之前,很多学者认为碳点属于无机发光材料,而柱色谱技术是有机合成中常用的分离方法。熊焕明发现,碳点与传统的无机量子点完全不同,其内核是无机的石墨化结构,而外壳是有机功能基团网络结构,利用这个特点完全有可能采用柱色谱技术对碳点进行精准分离纯化。

课题组经过几年摸索,优化了填料、洗脱剂的配方与操作流程,最终得到碳点粒径均一、发光性能高度一致、光学纯度100%的产品。2016年,这一成果发表在美国化学会著名学术刊物ACS Nano,两年时间已被国内外同行引用了300多次。这项成果同时申请了中国发明专利 “波长可调的碳量子点及其制备方法和应用” (专利号CN201510581387.9)并获得了授权。

目前,课题组合成制备碳点的技术已非常成熟,并且在生物荧光分析、潜指纹成像鉴定和电化学储能领域,找到了重要的应用前景,这些成果以论文形式发表在许多重要学术刊物上。

研究可期 应用广泛 碳点发展前途光明

熊焕明认为,碳点研究的科学价值不可估量。“石墨烯、碳纳米管这些材料都有固定的组成结构,其性能可以预见。碳点不一样,没有固定的组成结构,决定了它性质功能丰富多彩。关于碳点,很多问题学术界还没研究清楚,有非常广阔的空间等着大家去探索。”

从应用的角度来看,廉价的碳点大有用武之地。就发光性能而言,碳点可用于生物成像、指纹鉴定、防伪商标、警示标志、发光器件等领域。就催化而言,碳点可用于氧气还原、水的分解、氮气固定、二氧化碳还原等重要的催化反应。

谈及碳点的发展前景,熊焕明非常乐观。“碳点发现以来,国内外发表的论文专利都呈指数型增长,创新发明层出不穷,研究瓶颈一个接着一个被打破,一些意想不到的性质都被科学家们发现了。我注意到国家自然科学基金对碳点领域的投入也在迅速增长。碳点本身安全无毒、绿色环保、价廉物美的优势适合于产业化,一旦在实际生产生活中大量应用,就会有工业投资促进这种新材料以更快的速度发展下去。”

“我们无法预测碳点未来的发展方向,但可以肯定的是,这条路上走的人已经越来越多,路变得越来越宽,风景无限,前途光明。”熊焕明这样说。

(封面制图:张琦)

 

 

 

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