综述：火焰衍生碳点：连接烟尘污染控制与功能纳米材料合成

《Progress in Natural Science: Materials International》：Flame-derived carbon dots: Bridging soot pollution control and functional nanomaterial synthesis

　　

摘要

烃类燃料的不完全燃烧会产生碳质颗粒物，即炭黑。尽管炭黑是已知的空气污染物，但它也是一种有价值的原料，可作为碳纳米材料（如碳点（CDs））的合成原材料。碳点的尺寸通常小于 10 纳米。它们由类石墨烯碎片组成的准球形碳核和功能化表面组成。这种独特的结构赋予了碳点可调的化学、光学和电子性质。此外，碳点通常表现出低毒性、独特的荧光、高水溶性、热稳定性、化学惰性和易于功能化的特点。本综述总结了制备碳点的火焰法，包括以炭黑为起始材料的路线。还讨论了调控碳点性能的策略，并概述了分离和纯化技术。主要发现如下：炭黑和碳点具有共同的结构起源；火焰法提供了一种绿色高效的合成路线；多参数调控实现了目标性能优化；分离和纯化对于提高碳点的适用性至关重要；碳点的荧光机制虽然复杂，但是可控的。本工作旨在确定高效低污染的合成途径，从而从合成角度显著增强碳点的环境友好性。

引言

中国的“双碳”目标以及“十五五”规划的要求，强调了继续改善空气、水和土壤质量的必要性。这些政策优先考虑了京津冀地区、长江三角洲和汾渭平原等重点区域。主要任务包括控制包括 PM2.5 在内的细颗粒物，推进重点行业超低排放改造，以及推动挥发性有机物（VOCs）的源头替代和全过程管理。

PM2.5 的主要来源之一是炭黑——即烃类燃料不完全燃烧产生的碳质颗粒物 [1]。在火焰中，炭黑通过多环芳烃（PAH）成核 [1]、表面生长 [2]、凝并和聚集 [3]，以及氧化和碎裂 [4] 形成，然后以气溶胶的形式释放到大气中。一方面，炭黑的辐射特性加剧了温室效应和全球变暖 [5]。它还可能携带空气中的病毒，导致人类呼吸系统和心血管疾病 [6]。另一方面，炭黑也是一种有用的原材料。它可作为轮胎工业中的增强填料 [7]，也可用于制备碳点（CDs），一类碳纳米材料 [8]。

碳纳米材料包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球。由于具有优异的物理和化学性质，这些材料中的大多数都有广泛的应用。碳点是碳材料家族中相对较新的成员，最初是在二十年前报道的 [9]。它们的尺寸通常小于 10 纳米，由两个结构部分组成：由堆叠的石墨烯碎片组成的准球形核，以及富含功能基团的表面。核含有无定形碳和 sp² 杂化石墨碳的微晶区域 [10]。作为零维碳纳米材料，碳点表现出可调的化学、物理、光学和电子性质。它们通常表现出低毒性、独特的荧光、高水溶性、热稳定性、化学惰性和易于功能化的特点。由于这些光致发光特性，碳点已被广泛应用于生物成像 [11]、药物递送 [12]、基因递送 [13]、生物传感 [14,15]、光催化 [16] 和光电器件 [17,18]。孟等人 [19] 揭示了氨基苯酚中间体在红光发射碳点形成中的关键作用，并在环境条件下实现了百克级合成，展示了它们的高光致发光量子产率（PL QY）以及在白光发光二极管中的潜在应用。最近的研究强调了碳基材料在环境应用方面的进展，包括用于污染物吸附的金属有机框架衍生多孔碳 [20]、用于金属离子荧光传感的配体工程碳点 [21]、用于柔性能量收集器件的多功能光学材料 [22]，以及用于催化染料降解的生物基碳材料 [23]，展示了碳纳米材料在环境化学中日益增长的通用性。

目前，交通运输和工业仍然依赖内燃机和火力发电。因此，立即完全消除炭黑排放是不可行的。因此，利用排放的炭黑作为碳源合成碳纳米材料是一种有前景的减碳途径。本综述总结了合成碳点的火焰法，包括以炭黑为起始材料的合成方法。还讨论了调控炭黑衍生物碳点性能的策略，以及分离和纯化技术。目标是确定低污染的合成途径，从而从合成和纯化两个角度增强碳点的环境友好性。这将使碳点在整个生命周期内（从生产到应用）都成为环保的碳材料。

章节摘要

碳点合成方法的分类

如图 1 所示，目前合成碳点的方法分为两类：自上而下和自下而上的方法 [24,25]。自上而下的方法涉及将大碳结构分解为碳点，而自下而上的方法则是从小分子前驱体构建碳点。自上而下的技术包括电弧放电 [9]、激光烧蚀、超声处理和电化学氧化。对荧光碳点的首次观察是由徐等人 [9] 进行的，他们分离出

炭黑衍生物碳点的分离、纯化与优化

与其他合成碳点的方法相比，火焰法具有简单和直接的优势。然而，通过该方法生产的碳量子点通常量子产率（QY）较低，并且在非均相混合物中含有大量毫克级颗粒，这会负面影响它们的光学性能和应用 [64]。此外，由于炭黑和燃烧产生的碳点本质上都是疏水的，

火焰法制备碳点的荧光机制

目前对碳点荧光机制的理解尚不完整，关于其荧光特性的信息也很有限。因此，该主题仍在争论中。关于碳点的光致发光（PL）特性及其激发依赖性发射的原因，存在三种主要理论：(1) 量子限域效应，(2) 表面态，和 (3) 分子态。朱等人 [68] 和 Carbonaro 等人 [69] 总结了这些

结论

本文系统地回顾了使用火焰法合成碳点的关键技术途径，包括合成策略、性能调控、分离纯化方法和荧光特性。在此过程中，建立了一个全面的技术框架，将炭黑污染控制与功能纳米材料合成联系起来。主要发现如下：

第一，炭黑和碳点有共同的起源。荧光碳点可以

CRediT 作者贡献声明

洪润：数据整理，撰写——初稿。张玉涛：数据整理。储华强：获取资金，项目管理，资源，监督，撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金（项目编号：52476096）、安徽省自然科学基金（项目编号：2008085J25）、安徽省高校自然科学研究项目（项目编号：KJ2020ZD29）的支持。

洪润|张玉涛|储华强