木质素基碳点和石墨烯量子点制备方法研究进展

2021-02-02王瑞彬周雪莲徐婷婷卞辉洋戴红旗

林业工程学报 2021年1期

王瑞彬，周雪莲，徐婷婷，卞辉洋，戴红旗

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，南京林业大学江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037)

碳点(carbon dots, CDs)[1]是一类三维尺寸均小于10 nm的零维半导体碳纳米材料，其本质为由少量碳、氢、氧和其他元素的分子或原子所组成的纳米团簇。而石墨烯量子点(graphene quantum dots, GQDs)[2]属于CDs的一种，但其结构更接近石墨烯的片段[3]，因此既具有CDs的优点，又能够表现出石墨烯的特性。相比于传统的半导体重金属量子点(硫化铅和含镉化合物等)，CDs和GQDs不仅耐化学腐蚀、环境友好、长程稳定发光、光致发光行为可调控、易化学修饰，而且具有良好的水分散性、生物相容性、生物无毒性和易加工性等，有望广泛应用于生化指示、生物医学、储能、显示器件和催化等新兴领域[4-6]。

自2004年被首次得到，科学家们就对CDs研究表现出极大的兴趣，该领域在近10年得到了长足的发展。目前，CDs和GQDs大多以化石燃料基化合物(如煤[7]、炭黑[8]、芘[9])或无机矿物(如石墨[10])等为前驱体，长此以往势必会加剧温室效应，危害生态环境。因此，寻找可再生的替代物并开发环境友好的制备工艺已成为当下CDs和GQDs研究的热点之一。

众所周知，木质素是自然界中最丰富的芳香天然高分子，其结构单元为一系列氧代苯丙醇或其衍生物，再通过醚键和碳碳键链接而成的一类网状芳环结构无定形高聚物。正是由于这一结构特点，导致木质素难以在常规制浆造纸工艺过程中被降解，因而成为造纸工业的主要副产物和污染物来源。目前，全球范围内造纸和生物乙醇行业每年就可产生超5×107t的木质素，其中只有不到2%被重新用于工业生产，其他均直接燃烧处理[11]。虽然木质素的含碳量远高于其他常见天然多糖，但是其热值较低，这样的处理方式显然是对资源的极大浪费，而且还会加重环境负担。因此，基于可再生且价廉易得的木质素制备CDs和GQDs无疑将具有良好的发展前景：一是木质素的化学结构有别于其他生物质，可供选择的加工手段更为丰富多样；二是综合开发木质素基GQDs的高效环保制备技术不仅有望赋予目标产物更为出色的理化性能，而且可以兼顾木质素的资源化利用，推动相关领域的可持续发展。

1 木质素的资源化利用

随着诸如生物质燃料转化等领域的蓬勃发展，木质素的被动生产呈现“供大于求”的状况，因此人们希望将其资源化利用为高附加值的产品，而不仅仅是一种替煤燃料[11]。近年来，木质素的资源化利用日趋多元化，不断涌现出大量的优秀研究成果，通过高温(水热)碳化[12-13]、催化解聚[14-15]、溶剂处理[16-18]和生物降解[19-20]等手段加工木质素可得到诸如功能材料、高附加值化学品和燃料等(如图1所示)。后两者目前主要来源于石油化工领域，通过资源化利用木质素开发相关替代产品不仅可降低成本，而且可保证其可持续性；而功能材料涉及的范围非常广泛，包括塑料[21]、复合材料[22]、活性炭[23]、碳纤维[24]、CDs[25-26]和GQDs[27-28]等，在诸多领域已表现出良好的应用前景。同时，这些木质素资源化利用得到的功能材料也各自面临着一定的技术难题。如：可再生木质素基塑料的发展需要优化加工技术和改良含木质素(具有理想的理化性质)的生物能源作物；而其他材料大多存在原料来源过多，需要开发普适性的木质素分离/纯化技术以保证产品性能等[11]。

由于篇幅所限，笔者在此仅对近年来国内外关于木质素基CDs和GQDs制备方法的研究成果进行综述，以期为高性能木质素基CDs和GQDs的开发提供新的研究方法和思路。

图1 木质素的资源化利用技术进展及成果一览[15]Fig. 1 An overview of research progress in the valorization of lignin

2 木质素基CDs和GQDs的制备方法

目前，木质素基CDs和GQDs的研究已经初见成效，国内外学者通过不懈的努力取得了一系列重要成果。众所周知，CDs和GQDs均属于零维纳米碳材料，尺寸均不超过10 nm且分布均匀，表面都含有丰富的官能团。正是因为这些区别于其他普通多环芳烃化合物的共性，使得CDs和GQDs的带隙更窄且复杂，进而表现出更为优异的光致发光性能，应用前景非常巨大[29]。现有的木质素基CDs和GQDs研究多借鉴其他天然产物基CDs的相关工作，涉及微波辐射、水热、高温碳化、抽提或化学氧化等物理/化学处理手段[30](如图2 所示)，大致可分为两类：一是将木质素或木质素与其他化合物混合后进行(水热)碳化，再辅以相应后处理得到CDs或GQDs的“一锅法”工艺；二是对木质素进行物理/化学处理，再经由(水热)碳化得到CDs或GQDs的“两步法”工艺。无论是“一锅法”工艺还是“两步法”工艺，在制备木质素基CDs或GQDs的过程中，木质素原料都需要先经历“自上而下”(top-down)的解聚，然后直接或在反应体系内发生“自下而上”(bottom-up)的组装得到所需产物。

图2 天然产物基CDs的制备工艺及其潜在应用一览[30]Fig. 2 A review of processes and potential applications regarding to the natural product derived carbon dots

2.1 “一锅法”工艺

“一锅法”工艺通常从相对简单易得的原料出发，通过多步连续反应/处理直接获得目标产物，加工过程中无须分离中间体，因而应用较多。如Chen等[31]通过一锅共水热处理木质素和过氧化氢快速制备了具有优异光稳定性、生物相容性、低细胞毒性和良好水分散性的CDs，其得率最高可达12.06%。将这种CDs引入Hela细胞进行体外激光共聚焦测试，发现仅能在细胞膜和细胞质区域观察到绿色荧光，证明该CDs有望作为生物成像和生物传感的优良探针进行应用。Xue等[32]则对碱木质素、柠檬酸和乙二胺进行一锅共水热处理，得到了量子产率(参比硫酸奎宁)高达43%的CDs。进一步表征发现此CDs受375～460 nm波长光源的激发能够在454～535 nm范围内稳定发光(激发依赖发光)，同时具有良好的细胞相容性并可“屏蔽细胞核”实现宫颈癌细胞的多色荧光内视(如图3所示)。另有Zhao等[33]通过1 200～1 500 ℃一锅高温处理氧化硼和木质素(回收自水稻秸秆蒸汽爆破制浆黑液)，得到了量子产率(参比硫酸奎宁)最高可达18.2%的氮化硼量子点，其在紫外光区能够稳定激发出亮蓝色荧光，尺寸为0.52～2.25 nm，在人乳腺癌细胞(MCF-7)中加入100 mg/mL的该量子点培养24 h后细胞存活率超过92%。该量子点可作为潜在的发光二极管和生物成像材料。此外，Niu等[34]以纤维素酶分离的木质素(来自玉米秸秆发酵制备生物乙醇)为原料，通过乙醇抽提即可通过π-π聚合作用诱导分子聚集进而制备木质素基CDs，虽然其量子产率(积分球法)仅为1.68%，但仍可激发出多色荧光，且细胞生物相容性和穿透性良好。进一步的单/双光子细胞成像研究证明，该CDs在生物成像方面具有巨大潜力。

图3 “一锅法”制备木质素基CDs的流程图及其生物成像应用探索[32]Fig. 3 Photoluminescent lignin hybridized CDs composites prepared through one-pot method

除了生物领域，“一锅法”工艺制备的木质素基CDs或GQDs还可应用于金属检测、催化和储能等领域。如Zhang等[35]借鉴前人经验，将经历5 min超声预处理的碱木质素与乙二胺均匀混合进行一锅水热反应，得到一例可激发出亮绿色荧光的氮掺杂CDs，得率最高可达82.4%，其尺寸和量子产率(参比罗丹明6G)分别为1.5～3.5 nm和≤17.6%，同时具有出色的水分散性、生物相容性和光致发光性能。受能量和载荷子迁移的影响，金属离子如Fe3+、Fe2+和Ag+能够与该氮掺杂CDs上的官能团发生快速螯合，其对Ag+非常敏感，检测阈值仅0.35 μmol/L。进一步将其与氧化石墨烯复合，可获得低至118.6 mV/dec的Tafel斜率，能够实现氧还原反应的高效电催化。而Xu等[36]对木质素磺酸盐与硝酸的均匀混合物进行长时间连续超声(12 h)制备了得率为29.5%的官能化GQDs，继续将该GQDs与氧化石墨烯混合进行共水热处理，得到可应用为柔性超级电容器电极的复合材料水凝胶，其最高比电容高达451.7 F/g(0.5 A/g)，而在高倍率条件下(5 A/g)，循环超过10 000次的比电容保持率为89.0%， 180°弯曲时仍可保留初始比电容的93.3% (5 A/g)，应用潜力巨大。

2.2 “两步法”工艺

除了“一锅法”，“两步法”也是木质素基CDs和GQDs制备的常见选择。顾名思义，“两步法”工艺中木质素需要经过两步处理，第1步是对木质素原料进行改性或解聚，这样不仅可以促进第2步的水热处理从而得到性能稳定尺寸均一的GQDs，而且能够赋予产物以特定的光致发光性质。该法已成为木质素基CDs和GQDs领域目前的研究热点之一。如Ding 等[37]以低磺化度碱木质素为原料，利用长时间超声同步硝酸水解(12 h)-水热反应的“两步法”工艺，首次实现了生物质原料基单晶氮掺杂GQDs的克级制备(如图4所示)，所得氮掺杂GQDs的得率和量子产率(积分球法)均为21.0%。进一步研究发现，可通过改变激发波长、pH值和尺寸调节其光致发光行为。在小鼠单核巨噬细胞白血病细胞(RAW 264.7)中加入浓度为50 μg/mL的氮掺杂GQDs进行体外生物成像实验，可实现对细胞质的多色(蓝/绿/红)荧光标记。而Li等[38]尝试对来自酸法蒸煮黑液的木质素进行高温碳化处理，然后在浓硫酸/浓硝酸的强氧化性混合酸(浓硫酸∶浓硝酸=3∶1,V/V)中进行水热反应，得到了一种受300～500 nm波长光源作用能够在460～550 nm范围内表现出激发依赖发光的CDs。进一步的测试发现：该CDs表面含有大量含氧基团，有利于铂的均匀稳定沉积，更多地暴露于反应体系中，从而提高其电催化性能；负载铂以后在酸性介质中该CDs催化甲醇电氧化的性能远好于商用铂碳电极和铂/钌碳电极，正向峰值电流密度可以达到0.76 mA/cm2，是一种优异的催化剂材料。另有Li等[39]将碱木质素分散于2.5% 的氨水中搅拌过夜，然后进行水热反应，得到了荧光发光稳定且水溶性良好的CDs，其量子产率(参比硫酸奎宁)为14.24%。深入研究发现，该CDs的选择性荧光猝灭行为与高价金属离子(如Fe3+、 Mn7+、Cr6+等)的价态有关，因此可作为模型生物传感器以研究金属诱导猝灭机理；进一步测试表明引入一些生化还原剂(如维生素C，盐酸羟胺，谷胱甘肽等)可使该CDs再次荧光发光，进而实现“淬灭-发光”的可逆调控。

图4 “两步法”制备木质素基GQDs的化学机理图[37]Fig. 4 The two-step synthesis method of GQDs from alkali lignin

2.3 其他方法

除了以上两类工艺，近年来其他木质素基CDs和GQDs的制备方法也有报道。如Myint等[40]使用压缩液态二氧化碳处理硫酸盐木质素，再先后置于250和700 ℃进行两步碳化，最后在浓硫酸/浓硝酸的强氧化性混合酸(浓硫酸∶浓硝酸=3∶1,V/V) 中反应8～4 h，得到了得率和量子产率(参比香豆素153)分别为6%～7%和13%可激发出亮黄色荧光的CDs，其荧光发光呈现pH依赖性和光稳定性，且可耐受高浓度氯化钠(≤800 mmol/L)。这种木质素基CDs受280～460 nm波长光源作用能够在460～550 nm范围内表现出激发独立(不依赖)发光，而受480～640 nm波长光源作用则在460～550 nm范围内表现出激发依赖发光；进一步的体外Hella细胞摄取研究表明该CDs的细胞毒性很低，有望应用于生物成像领域。而Rai等[41]首先利用微波辐射法处理木质素磺酸盐，再连续进行超声和硼氢化钠还原，最终得到得率和量子产率(参比硫酸奎宁)分别为5.02%和47.3%的CDs，深入研究发现其能够被癌细胞(A549和SW480)良好吸收，同时清晰地甄别细胞质和细胞核，四甲基偶氮唑盐比色法和溶血试验也表明该CDs生物相容性良好，有望作为潜在的肿瘤诊断/治疗用探针。而Shi等[42]首先通过曼尼希(Mannich)反应对碱木质素进行氨基化改性，然后进行300 ℃保温和长时间球磨(24 h)的连续处理，最后收集得到可激发亮蓝色荧光的CDs，量子产率(积分球法)为8.1%，受280～400 nm波长光源作用在380～450 nm范围内表现出激发依赖发光，且具有pH稳定性。该CDs携带的氨基可捕获Fe3+并形成吸附复合物进而导致CDs发生荧光淬灭，因此可用于检测溶液中低浓度的Fe3+，其有效浓度范围为100 nmol/L～1 mmol/L(最低检测限低至8 nmol/L)。Temerov等[43]另辟蹊径，首先将硫酸盐木质素与水合金属氯化物(如氯化钴、氯化镍、氯化铁等的六水合物)混合进行长时间搅拌(12 h)，再依次经历500 ℃保温和硝酸刻蚀(20%质量分数，沸腾)，最后通过碱热(氢氧化钾溶液，1 M)反应制得尺寸为20～25 nm可被紫外激发出黄光的GQDs，得率和量子产率(参比罗丹明6G)分别为14%～17%和12.4%，荧光寿命≥ 5.2 ns，且不同水合金属盐作为硬模板得到的GQDs均检测到含有多种含氧官能团的石墨烯结构，同时可在550～600 nm范围内观察到激发依赖发光行为(光源波长为400～500 nm)。

3 木质素基CDs和GQDs的激发依赖发光行为

随着高性能木质素基CDs和GQDs的研究日益深入，国内外学者对相关制备方法也提出了更为苛刻的要求，人们试图寻找一种高效简便、环境友好且稳定可靠的工艺来处理木质素及其衍生物原料，同时能够实现对形貌、尺寸、杂原子掺杂和激发依赖发光行为等的调控，以满足不同领域的应用对木质素基CDs和GQDs性能的要求。特别是激发依赖发光行为，一般认为其源自石墨烯结构的“巨型红边效应”(giant red-edge effect)，通常表现为只需调节激发光的波长就可以原位(in-situ)改变材料荧光发射光的波长，期间荧光强度基本不变。激发依赖发光是CDs和GQDs最重要的光学性能之一，这一性质与后两者结构中引入了能够带来更多样化电子跃迁的含杂原子官能团有关[44-46]。

但是，能够表现出激发依赖发光行为的木质素基CDs或GQDs并未得到系统性研究，这是因为仍存在着一些技术瓶颈有待突破，主要包括：1)木质素及其衍生物原料的解聚历程尚不明确。无论是“一锅法”“两步法”，还是其他方法，这些研究大多只是将木质素视为有别于化石燃料基化合物或无机矿物的一种碳源，所采取的诸如超声、高温碳化或氧化等过程对于木质素及其衍生物原料的选择性较差，通常涉及多种反应物的化学变化，原料发生“自上而下”解聚时的影响因素过于复杂，直接导致产物的化学组成、尺寸和性质等无法精确控制[47]；纤维素酶有序解聚木质素进而制备CDs或GQDs的相关反应机理尚未得到总结。2)无法通过引入杂原子获得可调控的激发依赖发光行为。众所周知，杂原子掺杂能够影响CDs或GQDs的激发依赖发光行为[48-49]，虽然已有引入含氮化合物或添加浓硝酸处理进而制备氮掺杂木质素基CDs或GQDs的报道，但鲜有研究能够实现对木质素基CDs或GQDs激发依赖发光行为的调控，导致了已报道的材料大多表现为属于下转换(down-conversion)发光，其应用推广受到严重局限。

简而言之，制备具有可调控激发依赖发光行为的木质素基CDs或GQDs，其技术难点就在于开发一种高效环保的策略，既普遍适用于各种木质素原料的解聚，又能够有序可控地进行杂原子掺杂。

3.1 木质素的解聚

木质素不仅来源广泛，而且结构复杂，特别是其所含各种C—O和C—C连接的键强范围过宽，加之木质素中的低分子量组分极易重聚成难处理产物，导致相关分离/纯化技术的优化一直被列为木材化学领域的重点攻关课题。此外，木质素的分离/纯化还能够提升相关产品的利用效率，减少可能出现的环境污染[50]。以应用较多的工业木质素为例，目前有研究表明通过沉淀/过滤，可以轻易地从硫酸盐法或碱法制浆黑液中回收得到硫酸盐木质素或碱木质素[51]；使用超滤则可以从废液中有效分离得到木质素磺酸盐[52]。除了这两类技术，有机溶剂抽提[53]和离子液体法[54]也逐渐成为木质素分离/纯化的有效手段。若要实现这一目标，首先需要解析木质素上的各种活性基团和木质素单体结构，这样才能够更有效地选择和改进木质素解离及“自上而下”解聚的技术手段[55]。如Si等[56]以农业废弃物-水稻秸秆为木质纤维原料，通过与盐酸(0.5%质量分数)的乙醇/水溶液(65∶35,V/V)混合后进行微波辐射，“一锅法”同步制备了木质素纳米颗粒和CDs。进一步研究发现，当处理温度超过其熔点，木质素会发生膨胀并且在细胞壁上移动直至脱离，此时的木质素脱离物在水中以胶束(核壳结构)的形式存在，并最终在聚合物链的分子聚合(范德华力所致)和/或芳香结构的π-π聚合(π-π相互作用所致)作用下形成球形纳米颗粒；而盐酸则能够破坏碳水化合物的无定形区，将三大素成分解聚成一系列单体或寡聚体化合物，随着整个反应的进行相继被脱水、聚合、凝结(芳香化)和碳化(环加成)，最终破裂成核得到CDs。而Chen等[57]发现，在常压和≤80 ℃条件下使用高浓度对甲苯磺酸水溶液处理杨木丝(杨木片经蒸汽爆破的产物)，最多可溶出其中90.8%的木质素。进一步的测试表明：木质素溶出物种不含β-芳基醚和树脂酚结构，证实相关过程中木质素的醚键发生断裂；通过改变收集时的离心转速可以调控木质素溶出所形成的纳米颗粒的尺寸(数纳米至几百纳米，离心转速范围为3 000～15 000 r/min)；使用过的对甲基苯磺酸(p-C7H8O3S)经由简单的重结晶处理可回收再利用，显著减少环境影响，同时降低成本(如图5所示)。此外，诸如光催化[58]、γ-戊内脂/水混合溶剂[59]、低共熔体系[60]和优先水热成碳[61]等也是木质素“自上而下”解聚的潜在工艺选择。

图5 利用对甲基苯磺酸水解木质纤维原料制备木质纤维结晶纳米纤丝、木质纤维纳米纤维素和纳米木质素的工艺流程图[57]Fig. 5 A low diagram illustrating the fractionation of raw lignocelluloses for producing lignocellulosic crystalline nanofibrils, lignocellulosic nanofibrils, and lignin nanoparticles using p-toluenesulfonic acid

3.2 杂原子的引入

近年来，不断有学者通过研究CDs或GQDs中杂原子的作用机理来探究其与激发依赖发光行为的内在联系。如Yuan等[62]通过精确控制柠檬酸与盐酸胍(CH6ClN3)混合进行一锅反应时两者的比例，制备得到了一系列氮掺杂的CDs，其量子产率(3.4%～60.5%，参比奎宁)随氮含量(5.5%～19.8%)增加而显著增加，而其光致发光行为则由激发依赖发光逐渐转变为激发独立发光。深入研究发现，这是因为引入氮掺杂以供电子的氨基形式存在，既可以促使CDs发生表面钝化，又能够引发单电子跃迁，两者均有利于CDs表现出激发独立发光行为。Dong等[63]“一锅法”共水热处理柠檬酸和L-半胱氨酸(C3H7NO2S)的均匀混合物，最终制备得到氮硫双掺杂的CDs，量子产率(参比硫酸奎宁)为73.0%，表现为激发独立发光；而以相同的条件单独水热处理柠檬酸或甘氨酸(C2H5NO2)，得到的无掺杂CDs(量子产率为16.9%)或氮掺杂CDs(量子产率为5.3%)均为激发依赖发光。综合各项表征，他们提出这一差异是因为无掺杂CDs具有多种表面态，对应于分布更宽的能级，表现为产生更宽的紫外可见吸收带和激发依赖发射光谱。相对而言，氮掺杂CDs引入了一种能够捕获电子进而促进辐射复合的新表面态，但其光强度并未发生明显改变，因此仍表现为产生宽的紫外可见吸收带和激发依赖发射光谱。与前两者不同的是，氮硫双掺杂CDs存在协作效应，其中的硫会抑制氧并增强氮的作用，最终导致激发独立发光行为(如图6所示)。此外，诸如氮磷双掺杂CDs[64]、氮氧双掺杂CDs[65]、硼氮双掺杂GQDs[66]、氮氟硫三掺杂GQDs[67]等研究也可以为制备具有可调控激发依赖发光行为的木质素基CDs和GQDs提供技术参考和理论支持。

图6 无掺杂CDs、氮掺杂CDs和氮磷双掺杂CDs的光致发光机理示意图[63]Fig. 6 Representation for the FL mechanism of O-CDs, N-CDs, and N, S-CDs

受以上研究启发，笔者尝试了在温和条件(常压，≤80 ℃)下使用邻氨基苯磺酸(o-C6H7NO3S)处理工业级碱木素，再水热反应得到保留部分芳香基团的氮硫双掺杂GQDs[68]。这种木质素基GQDs具有类石墨烯结构，表现出荧光亮度高、水溶性好、长程光稳定和良好生物相容等优点。进一步实验发现，其在300～500 nm波长的光源作用下能够在377～576 nm范围内表现出激发依赖发光，可用于精确定量分析生物体内常见的生理氧化剂H2O2，检测限低至0.13 nM。这是因为具有氧化性的H2O2能够荧光漂白GQDs，而且其浓度与GQDs的荧光强度之间存在明显的二段线性关系。进一步的密度泛函理论计算，证实了GQDs对于H2O2的高灵敏响应是因为邻氨基苯磺酸解聚碱木质素时不仅发生醚键断裂，同时伴随着一定程度的酯化反应，导致产物中存在氮硫双杂原子掺杂，不仅赋予其激发依赖发光行为，而且还会影响其分子内电荷转移，容易受具有氧化性的物质，如H2O2等的影响而表现为荧光强度减弱。