源自绿茶提取物的碳点高效紫外线发射

目前商用的紫外线发射材料严重依赖不可持续的资源，例如稀有金属、重金属和石油基化学品。最近，研究人员利用可再生原料——绿茶提取物——合成了碳点。这些碳点在水中表现出紫外线发射。有趣的是，在较弱的溶剂中，由于聚集诱导的发射行为，它们的发射会发生蓝移，效率几乎提高了五倍。

　　

紫外线 (UV) 发射在消毒、防伪、光疗、法医分析和通信等应用中发挥着至关重要的作用。为了满足这些需求，研究人员开发了各种紫外线发射材料，包括胶体量子点、小分子和聚合物。然而，许多此类材料依赖于镉 (Cd) 或铅 (Pb) 等有毒金属、关键原材料或不可再生的石油基化学品。此外，它们的合成通常涉及复杂且昂贵的工艺，引发了严重的环境问题。

由瑞典于默奥大学副教授王佳领导的材料科学家团队，与 Ludvig Edman 教授及其同事合作，最近推出了一种可持续的替代方案。他们合成了具有高效紫外线发射能力的碳点 (CD)，这种碳点源自一种可再生且丰富的生物质原料——绿茶提取物。

“在本研究中，我们通过简单的水热法将一种常见的绿茶提取物转化为能发射紫外线的碳点，”通讯作者王佳解释说。王佳也是瓦伦堡可持续发展材料科学倡议的研究负责人。“这些碳点在384纳米处呈现光致发光峰，在水中的量子产率（PLQY）为17%。有趣的是，当它们溶于‘贫’溶剂中时，它们的发光会发生蓝移，强度几乎是后者的五倍。”

碳点是一种不含金属的准零维纳米结构，通常小于10纳米。这些纳米粒子可以实现与无机量子点相当的光学性能，同时又环保。由于碳点可以利用各种富碳来源合成，因此它们作为可持续的替代品具有巨大的潜力。

该团队重点介绍了生物质衍生碳纳米管的进展，这些碳纳米管因其环境效益而备受关注。“厨余垃圾、森林和农业废弃物，甚至生活垃圾等生物质来源都已被用来生产碳纳米管，并展示了其在可见光和近红外波段的高效发射。然而，成功利用碳纳米管发射紫外线的案例却寥寥无几，”王佳指出。

在本研究中，CD的紫外发射表现出明显的溶剂依赖性。随着溶剂极性指数的增加，PLQY降低，使用高疏水性溶剂3-苯氧基苯甲醚时，PLQY最高可达81%。Wang团队将这种增强归因于聚集诱导发射。“这些CD的平均尺寸约为3.5纳米，”Wang解释说。“在弱溶剂中，由于分散性降低，它们会形成更大的聚集体（10-30纳米）。这种聚集会形成更紧凑的分子结构和刚性支架，从而限制非辐射复合并显著增强PLQY。”

该团队还探索了用绿茶茶包粉代替绿茶提取物合成CD。然而，所得CD仅发射蓝光，而不发射紫外线。“即使是提取或分离等简单的预处理步骤，也能对最终CD的结构和性质产生决定性的影响，”王教授说道。“合理设计这些预处理工艺，对于推进生物质衍生功能材料的发展至关重要。”

除了光学特性外，该团队还渴望探索更多应用。“我们的初步结果表明，这些碳点能够强烈抑制SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞的增殖，”王教授说道。“我们的合作者正在对其抗氧化特性进行更详细的研究。”

该研究的第一作者是 Henry Opoku 博士。其他贡献者包括瑞典于默奥大学的任俊凯博士、周欣博士和唐诗博士，以及中国西安交通大学化学学院的张佩娟和党东风教授。

这项工作得到了 JC Kempes Minnes Stipendiefond（SMK-21-0015 和 SMK-1956）、瑞典研究理事会（2019-02345、2020-04437 和 2021-04778）、Bertil & Britt Svenssons stiftelse f?r belysningsteknik（2021 h?st-14 和 2022 h?st-31）、克努特和爱丽丝瓦伦堡基金会概念验证资助（KAW 2022.0381）、由克努特和爱丽丝瓦伦堡基金会资助的瓦伦堡可持续发展材料科学倡议 (WISE)（WISE-AP01-D02）以及欧盟通过 ERC 高级资助（ERC、InnovaLEC、101096650）的慷慨资助。