一种简单的一步水热法制备室温下具有高稳定性和多彩特性的水溶性荧光碳点的方法

《Dyes and Pigments》：Facile One-Step Hydrothermal Method for Aqueous Room-Temperature Phosphorescent Carbon Dots with High Stability and Multicolored Properties

碳点与氰脲酸复合材料的通用制备方法及其多色磷光特性研究。通过一步水热法调控掺杂前驱体，构建蓝、绿、黄三色磷光体系，形成氢键网络增强稳定性，荧光量子产率达32.5%，磷光寿命0.54秒，并成功应用于多信息加密。

　　本研究围绕碳点（carbon dots, CDs）在水相中实现多色室温磷光（room-temperature phosphorescence, RTP）并保持优异稳定性的挑战展开。目前，多色室温磷光材料在多个领域具有广泛应用，如光学编码、生物成像、信息存储等。然而，如何在单一或相似前驱体的基础上，通过简单的方法实现多色RTP并保证材料在极端条件下的稳定性，仍然是一个尚未完全解决的问题。为了解决这一问题，研究团队提出了一种通用的一步水热合成策略，利用氰尿酸（cyanuric acid, CA）作为宿主，通过不同前驱体的掺杂，成功制备了具有蓝、绿、黄三种颜色发射的碳点复合材料，命名为B-CDs@CA、G-CDs@CA和Y-CDs@CA。

在合成过程中，氰尿酸不仅作为宿主材料，还在反应过程中通过氢键网络对碳点进行原位包覆。这一过程使得碳点与宿主之间形成了稳定的连接结构，从而有效抑制了非辐射跃迁，提高了磷光的量子产率。研究发现，通过调控不同前驱体的掺杂，可以控制碳点表面的功能团组成及其sp2共轭结构的扩展程度，从而实现磷光发射波长从431 nm到579 nm的可调范围。同时，这种结构也赋予了材料在高温、强酸强碱、高湿度等极端环境下的良好稳定性，使其在实际应用中展现出更广泛的潜力。

此外，本研究还展示了这些多色磷光材料在摩尔斯电码加密领域的应用价值。通过合理设计磷光发射的颜色和强度，可以实现多信息编码的加密功能，这为信息安全、数据传输等提供了新的思路。研究团队认为，这种一步水热合成方法不仅简化了传统多色磷光材料的制备过程，还为开发具有实际应用价值的碳点基磷光材料提供了一种高效、通用的路径。

在材料的性能表现方面，B-CDs@CA、G-CDs@CA和Y-CDs@CA三种复合材料均表现出显著的磷光特性。实验数据表明，其磷光寿命可达0.54秒，光致发光量子产率（photoluminescence quantum yield, PLQY）为32.5%，其中磷光量子产率（phosphorescence quantum yield, PhQY）为14.4%。这些数据不仅体现了材料在磷光性能上的优势，也表明其在水相中的稳定性和实用性。更重要的是，这种合成策略不依赖复杂的工艺流程，而是通过简单地改变前驱体种类，实现对磷光发射颜色和强度的调控，从而为未来多色磷光材料的开发提供了新的方向。

从材料设计的角度来看，氰尿酸作为一种具有丰富氮和氧原子的分子，能够通过其多个氢键供体和受体位点，构建出高度稳定的氢键网络结构。这种结构不仅能够有效抑制水相中可能发生的非辐射跃迁，还能通过与碳点之间的相互作用，促进能量转移，进而提高磷光的效率。在反应过程中，前驱体首先经过水热处理生成碳点，随后未反应的氰尿酸在冷却阶段逐渐沉淀并包覆碳点，形成稳定的复合结构。这一过程的可控性使得研究团队能够灵活地调整材料的性能，满足不同应用场景的需求。

值得一提的是，当前大多数多色磷光材料的合成方法存在一定的局限性。一方面，基于F?rster共振能量转移（FRET）的多色磷光材料虽然可以通过调节供体和受体之间的距离来实现不同颜色的发射，但其效率较低，且颜色范围受限。另一方面，通过改变宿主材料或增加碳点的sp2共轭结构来实现多色磷光的方法虽然在一定程度上有效，但往往需要复杂的合成步骤，且在极端条件下容易导致磷光强度的下降。相比之下，本研究提出的方法不仅简化了合成过程，还显著提升了材料的稳定性，为未来磷光材料的开发和应用提供了更为便捷的途径。

从应用角度来看，多色室温磷光材料在信息加密领域展现出巨大的潜力。传统的信息加密方法多依赖于数字编码或化学反应，而磷光材料因其独特的发射特性和可调的发射颜色，可以作为一种新型的光学加密手段。通过合理设计磷光材料的发射波长和强度，可以在不同颜色之间建立复杂的编码关系，从而提高信息的安全性和保密性。此外，这种材料还可能在生物成像、环境监测、安全标签等领域发挥重要作用。例如，在生物成像中，不同颜色的磷光材料可以用于标记不同的生物分子或细胞，提高成像的分辨率和准确性。在环境监测中，磷光材料可以用于检测特定的污染物或环境变化，通过颜色变化提供直观的信号。

本研究的创新点在于提出了一种简单、通用的一步水热合成方法，能够通过改变前驱体种类，实现多色室温磷光材料的快速制备。这种方法不仅避免了传统多色磷光材料合成过程中所需的复杂步骤，还通过氰尿酸与碳点之间的氢键相互作用，提高了材料在水相中的稳定性和磷光效率。此外，研究团队还通过实验验证了该材料在多种极端条件下的性能表现，进一步证明了其在实际应用中的可行性。

在实验设计方面，研究团队首先选择了氰尿酸作为宿主材料，因为它具有丰富的氢键位点，能够形成稳定的氢键网络，从而有效抑制非辐射跃迁。随后，通过将不同前驱体引入反应体系，研究团队成功合成了具有不同磷光发射颜色的碳点复合材料。其中，蓝光发射的B-CDs@CA、绿光发射的G-CDs@CA和黄光发射的Y-CDs@CA分别对应于不同的前驱体掺杂。这些前驱体的种类和比例对碳点的sp2共轭结构和表面功能团的组成起到了关键作用，从而影响了磷光的发射波长和强度。

在性能测试中，研究团队通过多种手段对材料的磷光特性进行了评估。首先，通过光致发光光谱（PL spectrum）和磷光光谱（PLP spectrum）分析，确认了材料在水相中的磷光发射颜色和强度。实验结果显示，这三种复合材料在水相中均表现出稳定的磷光发射，且其发射波长覆盖了蓝、绿、黄三个区域，这为多色信息编码提供了基础。其次，通过磷光寿命测量，研究团队发现这些材料的磷光寿命可达0.54秒，这一数值表明其具有较长的发光时间，符合室温磷光的定义。此外，通过计算光致发光量子产率和磷光量子产率，研究团队进一步验证了材料在磷光性能上的优势。

在稳定性测试方面，研究团队对材料在不同环境条件下的表现进行了系统分析。实验结果表明，这些复合材料在高温、强酸强碱和高湿度等极端条件下仍能保持良好的磷光性能。这一发现对于实际应用具有重要意义，因为许多应用场景（如生物成像、环境监测）往往需要材料在复杂环境中保持稳定。此外，研究团队还测试了材料在不同光照条件下的性能，发现其在紫外、可见光等不同波长的光照下均能表现出良好的磷光特性，这进一步证明了其在实际应用中的广泛适应性。

在应用方面，研究团队展示了这些多色磷光材料在摩尔斯电码加密中的潜力。通过将不同颜色的磷光信号与摩尔斯电码的编码规则相结合，可以实现信息的加密和解密。例如，蓝光、绿光和黄光分别对应于摩尔斯电码中的不同符号，从而构建出一个简单的加密系统。这种系统不仅具有较高的信息容量，还能通过磷光的强度变化进一步提高加密的复杂度。此外，由于磷光材料在水相中表现出良好的稳定性，因此可以将其应用于水基信息传输系统，为信息安全领域提供新的解决方案。

综上所述，本研究提出了一种通用、高效的一步水热合成方法，成功制备了具有多色室温磷光特性和优异稳定性的碳点复合材料。通过调控前驱体种类和比例，研究团队实现了对磷光发射颜色和强度的灵活控制，同时利用氰尿酸的氢键网络结构，有效提高了材料在水相中的稳定性。这些成果不仅为多色磷光材料的开发提供了新的思路，也为其在生物成像、信息加密等领域的应用奠定了基础。未来，随着对磷光材料研究的深入，这种材料有望在更多领域得到应用，为相关技术的发展带来新的突破。