《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Review on Carbon Quantum Dots: Emerging Nanomaterials for Energy and Environmental Applications
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本综述系统阐述了碳量子点（CQDs）这一新兴纳米材料的最新研究动态。文章重点介绍了CQDs的多种合成方法（如水热法、电化学合成法）、独特的物理化学性质（如高光稳定性、低细胞毒性、可调光致发光（PL）特性）及其在能源领域（超级电容器、电池、太阳能电池、水分解）和生物医学领域（生物成像、生物传感、药物递送）的广泛应用前景，展现了CQDs作为多功能纳米材料的巨大潜力。
碳量子点（CQDs），也被称为碳点（CDs），是碳纳米材料家族中一颗璀璨的新星。作为尺寸通常小于10纳米的零维纳米材料，它们凭借一系列独特的性质，如优异的光稳定性、低细胞毒性、良好的生物相容性、易于表面功能化以及强大的化学稳定性，在能源、环境和生物医学等领域引发了广泛的研究热潮。这篇综述将带您深入了解CQDs的合成、特性及其令人兴奋的应用前景。
合成方法学
制备CQDs的路径多种多样，宛如通往纳米世界的条条大道。过去十年间，研究人员开发了众多合成策略，主要包括电弧放电法、微波热解法、水热法、电化学合成法等。然而，合成过程仍面临一些挑战，例如CQDs的团聚问题、尺寸和形状的均一性控制等。通过电化学合成和一些基于溶液的技术可以避免团聚，而通过凝胶电泳、离心和透析等后处理技术则有助于获得更均一的产物。开发简单、环保且能精确控制CQDs结构与尺寸的合成方法，是当前该领域的重要研究方向。
尺寸与表面态的魔力
CQDs的许多非凡特性源于其纳米尺度和表面化学。当CQDs的尺寸小于电子的德布罗意波长时，会产生显著的量子限域效应，导致其能带结构从连续变为离散，宛如“虚拟原子”。这使得CQDs的光学性质（尤其是光致发光（PL））具有尺寸依赖性：较小的CQDs发射较短波长的光（例如蓝光），而较大的颗粒则发射较长波长的光。因此，通过精确调控CQDs的尺寸，可以实现发射波长的调控。
除了尺寸，表面状态对CQDs的性质也起着决定性作用。CQDs表面富含多种官能团（如羧基、羰基），这使其易于进行表面功能化和钝化。通过酸处理或与聚乙二醇（PEG）、DNA、蛋白质等分子结合，可以在CQDs表面形成保护性绝缘层，有效减少环境干扰，优化其光学性能。表面功能化，特别是引入胺基或羧基等基团，会形成表面缺陷，这些缺陷可作为激发能陷阱，从而改变荧光发射行为。
异质原子掺杂：精雕细琢
为了进一步提升CQDs的性能，异质原子掺杂成为一种强有力的工具。通过引入氮（N）、硫（S）、磷（P）等非金属原子或金属原子，可以显著改变CQDs的电子结构，从而调控其电导率、能级和荧光效率（例如量子产率QY）。掺杂可以分为单元素掺杂和多元素共掺杂。例如，氮掺杂可以产生n型电荷载流子，而硼掺杂则可能产生p型载流子。这种“微调”能力使得研究人员能够为特定应用量身定制CQDs的特性。有研究报道，通过精妙的合成策略，CQDs的量子产率（QY）甚至可以超过80%，展现了其在光电器件中的巨大应用潜力。
能源领域大放异彩
CQDs在能源相关领域展现出巨大的应用潜力，成为推动高性能电化学储能技术发展的关键材料之一。
在超级电容器和电池（如锂/钠/钾离子电池、锂硫电池）中，CQDs的高比表面积、高电导率和丰富的电化学活性位点有助于提升电荷存储和传输能力，从而提高器件性能。
在太阳能电池和发光二极管（LEDs）中，CQDs的宽吸收范围、可调发射特性以及作为电子传输层或发光层的潜力，使其成为下一代光电器件的候选材料。
此外，CQDs在光催化水分解制氢方面也表现出色。其优异的光捕获能力和可调控的能带结构，使其能够有效地利用太阳能驱动化学反应，产生清洁能源。
生物医学应用的无限可能
超越能源领域，CQDs因其优异的生物相容性和低毒性，在生命科学与健康医学领域开辟了广阔天地。
在生物成像和生物传感方面，CQDs的高光稳定性和荧光特性使其成为理想的荧光探针。它们可以用于细胞成像，甚至对特定金属离子具有选择性响应，其传感机制涉及光诱导电子转移、共振能量转移等。
在药物递送领域，CQDs易于功能化的表面可以连接药物分子，实现靶向治疗，同时其自身固有的低毒性保证了生物安全性。
结论与展望
总而言之，碳量子点作为一种前景广阔的纳米材料，其研究正处于快速发展阶段。本综述概述了其合成方法、性质调控以及在能源和生物医学等领域的广泛应用。尽管已在控制尺寸、表面功能化和掺杂方面取得显著进展，但实现CQDs结构的精确调控和规模化、绿色合成仍是未来面临的挑战。随着研究的深入，CQDs有望在能源转换、环境修复以及生物医学诊断治疗等领域发挥越来越重要的作用，为可持续发展和技术创新注入新的活力。
