通过碱处理在碳化铌衍生的碳点中实现了室温下的红色荧光

《Journal of Luminescence》：Room temperature red phosphorescence enabled by alkali treatment in niobium carbide-derived carbon dots

碳点通过NbC酸蚀法制备并实现无基质室温磷光，碱性条件诱导表面刚性化与激子传递增强红磷光（ lasting ～1 s），突破传统需外源基质限制，拓展应用至防伪与光电器件。

　　碳点（CDs）作为一种新型的光致发光纳米材料，因其可调的发光特性、光稳定性、生物相容性和易于合成等优势，受到了广泛的关注。在传统的研究中，为了实现碳点在常温下的磷光（RTP）和余辉发射，通常需要将它们嵌入到刚性的外部基质中，以抑制振动弛豫过程。然而，这种方法存在一定的局限性，因为基质的选择和处理过程会影响碳点的性能，从而限制了其在实际应用中的推广。因此，寻找一种无需外部基质即可实现RTP和余辉发射的碳点制备方法，成为当前研究的一个重要方向。

本研究提出了一种简便且成本低廉的溶液酸蚀方法，用于制备能够实现常温磷光和余辉发射的碳点。这种方法避免了传统基质依赖的限制，为碳点在常温下的磷光应用提供了新的可能性。酸处理过程中，金属与碳之间的键被断裂，形成结构清晰的碳点。在碱性条件下，这些碳点在溶液中表现出强烈的蓝光发射，而在固态下则能够发射出黄绿色荧光以及红色余辉，持续时间可达约1秒。值得注意的是，直接从酸性或中性条件中获得的碳点并未表现出明显的磷光现象。这表明，通过特定的化学处理和结构调控，可以有效地增强碳点的磷光性能，同时减少非辐射过程对发光效率的负面影响。

进一步的研究表明，碱性条件能够促进碳点表面的刚性，增强分子间相互作用，从而提高激发态之间的能量转移效率，并有效抑制聚集导致的淬灭现象（ACQ）。ACQ是碳点在固态下发光效率降低的主要原因之一，因此，控制和减少这一现象对于提升碳点在光子学、光电子学、传感和安全设备等领域的应用至关重要。通过时间分辨的面积归一化发射光谱分析，研究发现，碱性条件下的碳点能够表现出更长的发光寿命和更高的发光效率，这为实现高效、稳定的磷光碳点提供了理论依据。

此外，本研究还探讨了使用金属碳化物作为碳点前驱体的可行性。金属碳化物是一种富含碳的材料，具有广泛的应用前景，但在碳点制备中的使用仍然较为有限。通过选择性地去除金属原子，可以将金属碳化物转化为具有精确结构控制的碳纳米材料，从而实现对碳点发光特性的调控。这一策略不仅能够提高碳点的磷光性能，还能够拓展其在不同领域的应用。例如，氮掺杂的高荧光石墨烯量子点（GQDs）已被成功合成，并通过碱性处理和氢蚀技术实现了高效的磷光发射。这表明，通过精确的结构设计和化学调控，可以实现碳点在不同波长范围内的发光特性。

本研究选择了一种新型的碳前驱体——铌碳（NbC），并采用了一种简便的酸蚀方法来制备具有常温红磷光特性的碳点。实验结果表明，通过酸蚀处理，NbC能够逐渐分解，形成具有清晰结构的碳点。这一过程在视觉上表现为NbC由灰色逐渐转变为浅色，最终形成红色的溶液，表明碳点的形成。在进一步的纯化和处理后，碳点表现出优异的发光性能。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，对碳点的结构和化学组成进行了详细分析。结果表明，碳点具有球形或类球形的形态，平均粒径约为5纳米，并且主要由芳香性的石墨碳组成，表面含有多种功能基团。

值得注意的是，当这些碳点在碱性条件下被中和后，其在溶液中表现出强烈的蓝光发射，而在固态下则能够发射出黄绿色荧光以及红色余辉。这种现象表明，碳点的发光特性与其所处的环境密切相关。通过稳态和时间分辨的光致发光（PL）光谱分析，研究发现，碳点在酸性和中性条件下表现出持续的蓝绿色荧光，而在碱性条件下则能够表现出双峰发射，其中主峰位于约453纳米处，而低强度的红光发射则出现在约613纳米处。这种pH响应的发射特性为碳点在不同环境下的应用提供了新的思路。

此外，研究还发现，这些碳点在固态下能够表现出明亮的绿色荧光，当紫外光（UV）照射停止后，仍能持续发出红色磷光，持续时间可达约1秒。这种现象表明，碳点的发光性能不仅与其化学结构有关，还与其物理结构密切相关。通过控制碳点的表面功能化和结构刚性，可以有效地调节其发光特性，从而实现高效的磷光发射。研究还发现，这些碳点在固态下能够表现出优异的光稳定性，这为它们在光子学、光电子学和安全设备等领域的应用提供了良好的基础。

在实验过程中，研究人员使用了高纯度的铌碳（NbC）作为前驱体，并通过酸蚀方法进行处理。酸蚀过程中，金属原子被逐步去除，形成结构清晰的碳点。为了确保实验的准确性和可重复性，所有使用的化学试剂均为分析纯，并在实验过程中使用Milli-Q水进行处理。通过这种方法，研究人员成功制备了具有常温红磷光特性的碳点，并对其发光特性进行了系统的分析。实验结果表明，这些碳点在不同pH条件下表现出不同的发光行为，这为它们在实际应用中的调控提供了重要的参考。

本研究还探讨了碳点在不同基质中的表现。在传统的研究中，碳点通常需要被嵌入到特定的基质中才能实现磷光和余辉发射。然而，这种方法存在一定的局限性，因为基质的选择会影响碳点的发光效率和稳定性。因此，开发一种无需外部基质即可实现磷光发射的碳点制备方法，成为当前研究的一个重要目标。通过酸蚀方法，研究人员成功实现了这一目标，为碳点在常温下的磷光应用提供了新的可能性。

在应用方面，这种新型的碳点具有广阔的前景。例如，它们可以用于生物成像、有机发光二极管（OLEDs）、防伪技术和发光标志等领域。由于碳点在固态下能够表现出稳定的磷光和余辉发射，因此在这些应用中具有显著的优势。此外，碳点的发光特性可以通过化学修饰和结构调控进行优化，使其更适合特定的应用需求。例如，通过调整碳点的表面功能化，可以改变其发光波长和强度，从而实现对不同应用场景的适应。

本研究的创新之处在于，它提供了一种新的方法来制备具有常温红磷光特性的碳点，而无需依赖外部基质。这种方法不仅提高了碳点的制备效率，还降低了成本，为碳点的大规模生产和应用提供了可行性。此外，通过详细的结构和化学分析，研究人员揭示了碳点的发光特性与其化学结构和物理结构之间的关系，这为未来的碳点研究提供了重要的理论支持。

总的来说，本研究通过一种简便的酸蚀方法，成功制备了具有常温红磷光特性的碳点，并对其发光特性进行了系统的分析。实验结果表明，这种碳点在不同pH条件下表现出不同的发光行为，这为它们在实际应用中的调控提供了重要的参考。通过控制碳点的表面功能化和结构刚性，可以有效地调节其发光特性，从而实现高效的磷光发射。这种研究不仅拓展了碳点的应用范围，还为未来的碳点研究提供了新的思路和方法。