综述：创新之光：利用碳点光电特性实现先进显示、传感器与可再生能源解决方案

《Frontiers in Chemistry》：Illuminating innovations: leveraging the optoelectronic capabilities of carbon dots for advanced displays, sensors, and renewable energy solutions

　　

碳点（CDs）是一个引人入胜的研究领域。碳纳米点（CDs），也称为碳量子点（CQDs）、碳纳米点（CNDs）和石墨烯量子点（GQDs），由于它们作为碳基材料的易得性、无毒性和经济性，近年来受到越来越多的关注。本文重点介绍了合成CDs的几种方法，包括水热合成、脉冲激光烧蚀、直接碳化、微波和超声波辅助化学合成以及电化学方法。此外，CDs还具有优异的光稳定性，即使在长时间光照下也能保持其光学性质，如光致发光（PL）、电荷转移特性等。由于其独特的光学和光电特性，碳点（C-dots）有潜力成为多个领域的关键组成部分，包括光电子学、太阳能电池、发光二极管和光敏剂。除了鼓励CDs在当前和未来许多研究领域中的实际应用外，研究人员希望本综述中呈现的材料能够从新的角度激发对CDs进一步的有趣研究。

1 引言
碳点（CDs）是碳基纳米材料的一个高级子类，首次于2004年合成。它们由sp²/sp³碳以及氧/氮基团或聚合物基团构成，在光催化、光热治疗、电化学储能、生物成像、发光器件和pH传感等领域具有广泛应用。目前已合成多种CDs，包括碳纳米点（CNDs）、石墨烯量子点（GQDs）和聚合物点（PDs）等。早期研究通过“油包水”乳液实现尺寸控制合成，发现不同尺寸的CNDs具有不同光致发光（PL）行为，且PL峰位随尺寸增大发生蓝移。CNDs因其优异发光性能、低成本和低毒性受到传感器领域的广泛关注，但未修饰的CNDs因缺乏特定基团，其应用受限。CDs与宏观碳材料不同，通过尺寸减小至纳米尺度可调控带隙，并具有良好的水分散性。石墨烯量子点（GQDs）因其与石墨烯相当的电化学特性，在光催化、生物传感和光电仪器中应用更广。碳纳米点（CNDs）的主要特征为量子限域效应（QCE），当尺寸小于玻尔激子半径时，能带隙增大，导致荧光发射。本综述旨在全面评估主要CDs合成方法（水热、微波辅助、激光烧蚀、电化学和直接碳化）对结构、光学和光电特性的影响，并比较各方法的优缺点，为选择合适制备技术提供指导。

1.1 出版趋势荟萃分析
过去10年间，全球有关碳点（CDs）光电应用的学术文献数量呈系统性增长，展示了该领域的科学进展。

2 碳纳米点（CNDs）的合成
CNDs最初于2004年由Xu等人意外发现，源自电弧放电烟尘的凝胶电泳分离。合成方法主要分为自上而下和自下而上两类。自上而下方法通过化学、电化学或物理手段（如电弧放电、激光烧蚀）将大尺度碳结构分解为纳米结构，具有更好性能但荧光量子产率较低、仪器昂贵。自下而上方法从小碳单元（有机化合物）出发，通过水热、微波合成、模板法等构建CNDs，条件可控、碳源丰富且量子产率较高，但后续纯化步骤耗时。目前自下而上是最常用的策略。

2.1 自上而下合成
自上而下方法包括激光烧蚀、电弧放电、化学氧化、电化学法、溶剂热/水热切割和插层技术。激光烧蚀溶液法（LAS）以低成本、低污染著称，Nguyen等人发现激光通量和辐照时间影响CNDs尺寸和官能团。化学氧化通过强酸引入含氧亲水基团，提高水溶性。电化学法利用氧化还原电位产生氧自由基，如Ding等人以多壁碳纳米管为电极制备CNDs。水热切割法如Pan等人使用石墨烯片在200°C下10小时制备CNDs。插层法如Lin等人通过钾插层从碳纳米管和石墨片制备亲水性CNDs。此外，微波辅助合成可制备亲水、疏水甚至两亲性碳点，如Mitra等人利用Pluronic F-68一步微波合成疏水CDs。脉冲激光烧蚀法（PLA）从石墨靶制备具有紫外发射的CNDs，显示本征UV发射峰。直接热解法在高温下碳化前驱体，如Zhou等人用西瓜皮在220°C碳化2小时制备蓝色发光CDs。杂原子掺杂（如氮、磷、硼）可调控荧光和抗氧化性，如N掺杂碳点通过水热碳化蜂花粉合成。

2.2 自下而上合成
自下而上方法从生物材料或有机小分子出发，合成尺寸在10 nm以下、具有光致发光和稳定性的CNDs。例如，Gianneli等人通过水热加热有机铵和柠檬酸制备7 nm CNDs。微波热解法缩短反应时间，提高产率，如Qu等人加热碳水化合物和无机离子几分钟得到CNDs。表面钝化可添加聚合物。直接热分解法在惰性气氛中碳化前驱体，可制备核壳结构CNDs。模板合成法利用介孔二氧化硅球，热分解后去除模板得到球形CNDs。此外，浓硫酸脱水法也用于制备CNDs。综述指出，CNDs用于光电应用通常经历四个阶段：小有机分子聚集、形成致密核与扩展壳、壳塌缩、核芳香化。电化学方法中，电压可调控CDs尺寸，如Bao等人报道了荧光行为的电化学调控。生物分子也可作为前驱体，如葡萄糖和磷酸二氢钾体系合成发光CDs。

3 CDs的光学性质
碳纳米点（CNDs）的光致发光（PL）是最受关注的性质之一。PL受合成条件（温度、时间、前驱体）影响，平均紫外吸收在330–420 nm范围，发射波长通常在400–600 nm，随尺寸变化。CNDs的PL强度与尺寸相关，更小尺寸因更大表面积与体积比而具有更高PL。边缘类型和形状也影响PL。CNDs可作为电子给体或受体，其电荷转移特性使其适用于低成本电荷转移活性材料。掺杂磷（P）和硼（B）可调控光学和抗氧化性，高B%-CNDs显示出最高自由基清除能力。氯掺杂碳氮化物点（Cl-CNDs）具有磷光发射，量子产率2.32%，寿命657 ms。从软椰子水合成的绿色荧光CNDs量子产率达60.18%。通过非氧化热解芳香羧酸合成的CNDs具有高达80%的绝对量子产率，呈现激发独立型PL。聚乙烯亚胺碳点（PEI CNDs）具有浓度依赖PL特性，可用于白光LED（WLED）制备。多色荧光N-CNDs通过微波合成，通过调节氮掺杂浓度可调控PL发射波长，从蓝到绿再到橙红。

4 CDs在光电领域的应用
碳纳米点（CNDs）具有原料丰富、成本低、多色光致发光、合成便捷、生物相容性好和可再生性等优点，在光电领域有多种应用。

4.1 碳点作为染料敏化太阳能电池（DSSC）的光敏剂
CDs具有优异的电子给体/受体电化学性质，可替代传统Ru基敏化剂。但CDs作为敏化剂时可能因光生电荷表面复合导致低电流密度。综述列举了多种结构，如FTO/TiO₂ NPs/CQDs/I₃^–:I^–/Pt，但性能受限于低电子注入效率和复合速率。

4.2 发光二极管（LEDs）
CNDs可作为LEDs的活性组件，但早期器件需高操作电压（约9 V）。基于CNDs的磷光体LEDs显示蓝、橙、暖白光，但吸收范围有限。CNDs的固态聚集常导致光淬灭。LEDs分为磷光体转换LEDs（pc-LEDs）和电致发光LEDs，前者用蓝/NUV芯片光泵浦CQD磷光体，后者通过电子-空穴辐射复合发光。

4.3 太阳能电池（SCs）
碳量子点（CQDs）在染料敏化、有机和硅基太阳能电池中具有应用。在钙钛矿太阳能电池中，加入CQDs亚单层可提高光电转换效率（PCE）从8.81%到10.15%，并通过晶界钝化将PCE从17.59%提升至18.81%。此外，p型PbS CQDs与n型宽带隙半导体形成异质结，有望实现多激子生成和热载流子收集。

4.4 磷光体转换LEDs
使用CQDs作为磷光体的LEDs产生448和548 nm双峰，归因于固态CQDs的光再吸收。蓝/NUV芯片与CQD磷光体组合可制备pc-WLEDs，但固态自淬灭是一大挑战。将磷光体嵌入聚合物、淀粉或二氧化硅干凝胶等固体基质可解决此问题。多色CQDs（如R/G/B-SBF-CQRs）量子产率高达30%–46%，可产生暖白光，有望替代传统稀土磷光体。

5 当前瓶颈与未来展望
碳点具有显著光电潜力，但商业化前需解决几个关键问题：
5.1 发射特性的低可重复性：自下而上合成中聚合、碳化和钝化同时发生，批次间温度或加热速率变化导致表面拓扑差异，需开发标准化自动化合成工艺。
5.2 放大生产限制：高量子产率方法（如微波或水热）通常限于小批量，放大时热和质量传输梯度导致粒径分布变宽，色纯度降低。
5.3 器件运行条件下的稳定性：在高功率LEDs或太阳能电池中，CDs长期暴露于热、湿气和强紫外辐射，可能导致表面官能团热脱附或光氧化，引起不可逆发光退化。需高精度诊断工具（如自混合干涉仪）监测结构变化。此外，需弥合材料合成与系统级校准之间的差距，如单视角神经光照估计用于动态编辑照明条件，以及电磁感应辅助扫描光致发光成像用于工业规模光伏组件检测。
尽管碳点与传统半导体材料不同，但后者在晶体质量、缺陷密度和辐射复合方面的研究为碳点设计提供了参考，包括最大化光吸收、改善载流子动力学、减少非辐射复合和实现稳定PL。

6 结论
本综述比较了主要碳点合成技术，显示合成路径对结构、光学和光电特性有显著影响。水热和微波辅助方法通常提供高光致发光性能和量子产率，激光烧蚀产生高纯度CDs，电化学合成提供优异的表面化学控制，直接碳化成本低但需改进尺寸均匀性。各方法优缺点与LEDs、太阳能电池、传感器等器件性能直接相关，为选择合适合成方法和开发高性能碳点基光电材料提供了方向。