综述：碳点作为光敏剂：揭示其超快的电荷转移机制、面临的挑战及未来发展前景

《Nanoscale Advances》：Carbon dots as photosensitizers: unraveling their ultrafast charge transfer, challenges, and future prospects

碳点（C-dots）因其环保性、生物相容性和高效光敏特性成为研究热点，其核心与表面状态共同调控电荷转移过程。通过超快光谱技术，揭示了C-dots在光激发下核心（蓝光）与表面（绿/红光）的独立载流子动力学，并证实核心态电荷转移效率更高。研究进一步探讨了C-dots在受限环境（胶束、反向胶束）、掺杂（N/B/P）、分子杂化（BQ/PYZ）及钙钛矿复合体系中的光敏化机制，发现表面官能团和复合结构可显著优化电子转移路径。实验表明，氮掺杂C-dots因电子离域性增强，光催化性能最优；而 confinement效应通过减少溶剂重组能提升电荷分离效率。未来需结合原位光谱和机器学习，深入解析多组分体系中载流子迁移与能量协同机制。

　　
碳点作为光敏化剂的电荷转移机制与功能调控研究进展

碳点（Carbon dots, C-dots）自2006年发现以来，因其独特的光物理性质和优异的化学稳定性，在光催化、生物成像、能源存储等领域展现出广阔应用前景。本文系统梳理了碳点作为光敏化剂的核心作用机制及其功能调控策略，重点解析了以下关键研究方向：

1. **碳点光物理特性与载流子动力学研究**
碳点的发光特性源于其核心芳香结构和表面官能团的协同作用。核心态（sp2杂化碳结构）主要负责蓝色发光（440 nm），而表面态（sp3杂化碳结构结合含氧官能团）则产生绿色（520 nm）和红色（610 nm）发光。时间分辨光致发光（TRPL）和瞬态吸收（TA）光谱技术揭示了载流子动态过程：核心态载流子通过非辐射复合（τ_rad~1 ns）实现快速热弛豫，而表面态载流子受溶剂化效应影响，表现出τ_non-rad（皮秒级）的复合特性。值得注意的是，激发波长选择性（如320 nm激发核心态，380 nm激发表面态）可有效调控电荷转移路径，为器件设计提供新思路。

2. **异质环境对电荷转移的调控效应**
（1）**胶束微环境构建**：通过CTAB、DTAB等表面活性剂包覆形成双层碳点结构，体系内电荷转移效率随表面活性剂链长增加而提升（2.1→2.8 ns）。这种空间限域效应减少了溶剂分子干扰，使电子转移（ET）与空穴转移（HT）速率提高约40%。

（2）**反向胶束体系优化**：在AOT/正己烷逆向胶束中，C-dots与电子供体DMA形成非共价复合物，实现了6.2%的量子产率提升。特别当同时引入电子受体（BQ）和空穴受体（PYZ）时，电荷分离效率达到78.9%，较单一淬灭剂提升32个百分点。

3. **掺杂策略对光敏化性能的影响**
（1）**核掺杂调控**：氮掺杂形成N-C-dots（平均寿命4.0 ns）较硼掺杂（5.21 ns）和磷掺杂（5.32 ns）具有更快的电子转移速率（图5c）。这源于氮掺杂增强了π*轨道电子离域度，形成更有效的电子供体态。

（2）**表面功能化设计**：通过pH调控表面电荷密度，可使C-dots对特定淬灭剂的选择性增强。例如，在pH=9环境中，B-C-dots对MV²⁺的淬灭效率达89%，而N-C-dots在相同条件下的淬灭效率仅为63%。

4. **异质结构集成策略**
（1）**血红素-碳点复合体系**：通过EDC/NHS点击化学构建C-dot-血红素异质结，实现了<100 fs>的快速电荷转移。TA谱显示在400-550 nm区域出现特征吸收峰，证实了电子从碳点向血红素（Fe3+→Fe2+）的快速转移。

（2）**钙钛矿/碳点复合系统**：将氮掺杂碳点（N-C-dots）与CsPbBr₃量子点复合时，量子点激子寿命从6.14 ns缩短至4.00 ns，证实了电子从量子点向碳点的有效转移。这种异质结结构在光催化降解罗丹明B（RhB）中展现出3.2倍于单一组分的催化效率。

5. **新型功能化方向探索**
（1）**手性调控**：引入手性氨基酸作为合成前驱体，可使C-dots产生旋光异构体（R/S型），其载流子迁移方向与能级排列呈现显著差异，为制备光电子器件提供新维度。

（2）**机器学习辅助合成**：通过建立"碳点特征参数-光物理性能"数据库，成功预测出新型掺杂组合（如氮硼共掺杂C-dots），其电荷转移速率较传统材料提升1.8倍。

（3）**动态响应体系**：开发pH响应型碳点，在酸性环境（pH<5）中呈现高电荷迁移率（<120 fs），而在中性环境（pH=7）下则显著增强光热转换性能，为智能光电器件奠定基础。

6. **应用场景拓展**
（1）**光催化领域**：在TiO₂基催化剂中引入B-C-dots，使光生电子-空穴对分离效率提升至91%，将污染物降解速率提高至0.38 mmol·g^-1·h<sup>-1>。

（2）**生物医学应用**：G-C-dots与叶绿素a形成复合物后，在近红外光（800 nm）激发下，实现了5.7 nm的红移，生物成像穿透深度提升至4.2 cm。

（3）**柔性电子器件**：将C-dots集成到聚酰亚胺基板中，器件在弯曲半径30 μm下仍保持85%的光电流效率，为可穿戴设备提供新材料。

当前研究仍面临三方面挑战：① 多组分复合体系中电荷转移路径的竞争机制尚未完全明晰；② 碳点的长期光稳定性与器件可靠性存在差距；③ 低温（<77 K）环境下的电荷转移动力学研究不足。未来发展方向应聚焦于：① 开发原位表征技术（如飞秒内窥镜）实时观测多相界面电荷转移；② 构建仿生矿化结构（如碳点-钙钛矿-二氧化钛三元体系）；③ 探索太赫兹频段碳点的光物理特性。

该研究为碳点作为光敏化剂的应用提供了理论依据和技术路线，特别是在构建多级异质结、实现电荷转移动态调控方面具有重要参考价值。实验数据显示，通过系统调控碳点核心/表面特性（如N掺杂浓度>15%）、复合体系界面能级差（ΔE_CB=0.32 eV）和微环境参数（表面活性剂链长与浓度比），可突破现有光敏化材料的效率极限，推动其在下一代光电子器件中的实际应用。</sup>