功能纳米碳点“照亮”应用征途

吴凯

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

功能纳米碳点的结构示意图

近30余年来，世界各国的科学家致力于创制全新的不同维数碳同素异形体，纳米碳材料的家族成员得以持续不断增加，引领和开创了众多全新的科技领域。1985年，英国Harold Kroto和美国Robert Curl及Richard Smalley三位教授在莱斯大学制备出由60个碳原子组成的簇状分子C601，开辟了零维纳米碳材料-富勒烯的新领域，荣获了1996年度诺贝尔化学奖。1991年，日本筑波NEC实验室的Iijima博士发现了一维纳米碳材料-碳纳米管2；碳纳米管具有碳六边形组成的蜂窝状结构组成的骨架，其硬度与金刚石相当，兼具良好的柔韧性、高模量和高强度，导电性能可以调变。2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim和Konstantin Novoselov教授发现了二维纳米碳材料—石墨烯3，这种晶体碳原子结构的二维功能碳材料，具有整数量子霍尔效应及常温下的量子霍尔效应；Geim和Novoselov教授荣获了2010年度诺贝尔物理学奖。2010年，中国科学家李玉良教授等人创制了一种全新的全碳二维平面结构材料—石墨炔，他们在铜箔表面上通过化学方法原位合成出大面积的石墨炔薄膜4。石墨炔是一种由sp和sp2杂化形成的碳的新型同素异形体，是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的二维单原子层平面构型。石墨炔具有丰富的碳化学键，大的共轭体系、宽面间距、多孔、优良的化学性能、热稳定性、半导体性能及力学、催化和磁学等性能。石墨炔的创制，使碳材料家族又诞生了一个新成员，开辟了人工化学合成新碳素异形体的先例。以李玉良院士为代表的中国化学家的这一杰出的原创工作，在碳材料科学和有机合成领域写下了浓墨重彩的一笔。

纳米碳点作为纳米碳材料家族的新成员，是一类具有冷发光特征的准零维纳米碳颗粒的统称，由碳质核心和表面钝化层两部分组成5,6。碳核既可以是sp2杂化的石墨烯碎片(单层或多层石墨烯量子点)，也可以是sp2和sp3杂化碳构成的碳纳米颗粒，亦可以是非共轭类聚合物构筑的纳米颗粒(聚合物点)。碳点具有独特的光学性质，在外界光源、电场或化学反应的刺激下，可激发出荧光或磷光。碳点具有良好的水溶性、低毒性、生物相容性等优点，可由煤炭、石油焦等价廉易得的含碳资源制备得到7-9。自2006年发现至今，纳米碳点在世界范围内受到越来越多的关注。最近，西安交通大学胡超和北京化工大学邱介山等对碳点的制备方法及应用等最新进展做了全面的总结和评述10。

论文已在物理化学学报在线发表(doi:10.3866/PKU.WHXB201806060)10。该文梳理了纳米碳点的结构和组成特点，介绍了“自上而下”和“自下而上”的二种制备策略，总结评述了不同制备方法对碳点结构和组成的影响规律，重点论述了碳点在生物成像与诊疗、传感、催化、光电器件和能量存储领域的最新进展，展望了碳点的未来发展前景。该工作对从事新型纳米碳材料及发光材料研究的研究者有重要的参考和启发意义。