综述：石墨烯与碳量子点：光致电化学平台中的竞争性碳材料

这篇综述系统探讨了碳量子点(CQDs)和石墨烯量子点(GQDs)在光致电化学(PEC)应用中的协同作用，重点比较了两者在纳米杂化体系中的物理化学特性差异及其对可持续能源转换系统（包括水分解、CO2还原和化学传感）的性能优化机制。

　　

石墨烯与碳量子点的光致电化学竞技场

在可持续能源研究领域，两种碳基纳米材料——碳量子点(CQDs)和石墨烯量子点(GQDs)正引发新的技术革命。这些尺寸小于10纳米的零维材料，凭借其独特的量子限域效应和可调谐电子结构，正在重塑光致电化学(PEC)技术的未来图景。

结构特性大比拼

CQDs通常呈现准球形核壳结构，核心由sp²/sp³杂化碳构成，尺寸范围2-10纳米。其表面丰富的含氧官能团赋予优异的水溶性和生物相容性，但量子产率(QY)普遍低于20%。相比之下，GQDs具有明确的sp²杂化石墨烯晶格结构，载流子迁移率高出两个数量级，QY可达30-80%。这种结构差异直接导致GQDs在可见光区的吸收范围更宽，带隙可调范围1.5-3.0 eV。

光致电化学性能对决

在水分解应用中，GQDs基纳米杂化材料展现出8.8倍于CQDs的光电流密度提升。典型的CdS-GQDs-TNTs杂化体系实现了530.1 μmol·h^-1的产氢速率(HER)，这归功于GQDs作为固态电子受体的卓越性能。而CQDs则在光阳极设计中表现突出，NiOOH/FeOOH/CQD/BiVO₄复合体系在1.23 V vs RHE下获得5.99 mA·cm^-2的创纪录光电流密度。

在CO₂还原领域，CQDs-25/NiMOF_V催化剂实现了97.58%的CH₄选择性，产率高达1 mmol·g^-1·h^-1。理论研究表明，CQDs与氧空位的协同作用能有效稳定*COOH中间体，降低八电子还原过程的能垒。

生物医学传感新突破

当转向生物传感应用时，CQDs的多功能特性大放异彩。基于CdS/CQDs/COFs的分子印迹光电化学传感器对四环素的检测限达6×10^-13 M。而GQDs在重金属检测中表现优异，CdS/Au/GQDs体系对Cu²⁺的灵敏度为2.27 nM，这得益于GQDs延长载流子寿命的特性。

掺杂工程的魔力

通过氮、硫等元素的掺杂可显著提升材料性能。氮掺杂GQDs(N-GQDs)使ORR起始电位从-0.35 V提升至-0.09 V，而氮氟共掺杂(N,F-GQDs)则通过半离子键增强反应中间体吸附。在CQDs中，硫掺杂能提高20-50%的QY，同时改善电荷传输效率。

未来挑战与机遇

尽管取得显著进展，这些纳米材料仍面临稳定性、规模化制备和界面接触等挑战。特别是在实际PEC系统中，CQDs易发生表面降解，而GQDs边缘易氧化。未来的研究重点应转向：1）开发环境友好的规模化制备方法；2）建立结构-性能-稳定性的定量关系；3）设计集成化PEC系统。

这些碳基量子点材料正在开启光致电化学的新纪元，其独特的性能组合为清洁能源转换和精准生物检测提供了前所未有的机遇。随着对材料构效关系的深入理解，这些纳米尺度的碳材料有望在可持续能源和健康医疗领域引发技术革命。