纤维素纳米晶模板法合成与分散碳点构建具有增强光稳定性的共价网络用于光管理应用

《Carbohydrate Polymers》：Cellulose nanocrystal-templated synthesis and distribution of carbon dots to construct covalent networks with enhanced photostability for light management applications

　　

摘要

碳点（CDs）在光转换应用中因界面相互作用较弱，物理封装无法有效抑制光氧化，导致光稳定性差。为解决这一问题，本研究开发了一种共价界面工程策略，以纤维素纳米晶（CNC）为模板诱导碳点的原位合成。通过一步酰胺化和硅烷化反应，构建了共价接枝网络结构——CNC模板碳点（CNC-CDs），有效抑制了聚集诱导淬灭，将碳点的固态量子产率从1.67%提升至10.08%。CNC-CDs利用CNC框架促进电子转移，并通过调节能带结构抑制电子-空穴复合，从而减少单线态氧的生成。所得CNC-CDs/PVA薄膜集成了光谱转换（来自CDs）和光散射（来自CNC），使红光光子通量密度提升10.43%，分离叶绿体希尔反应速率提高24.2%。生菜栽培实验表明，使用该薄膜覆盖植物可使鲜重增加23.41%，干重增加18.91%。本研究为高稳定性多功能光转换材料的界面设计提供了新策略。

引言

在可持续农业和能源技术的背景下（联合国粮农组织，2017年；Ray, Mueller, West & Foley, 2013），高效利用太阳光谱中光合无效成分并将其转换为可用于光合作用的可见光，是提高生物质能转换效率和作物产量的重要途径之一（Guo等，2022；Long, Marshall-Colon & Zhu, 2015；Meng & Runkle, 2019）。碳点（CDs）具有优异的发光性能（Chen等，2022；Kumar & Rhim, 2024；L. Li等，2017）、良好的生物相容性（Yang, Han, Bianco & Ji, 2024；X. Zhang等，2024）和可调的发射特性（Yuan等，2017；Zhi等，2021），被认为是理想的光转换新材料（Wang等，2025；You, Zhang, Liu & Lei, 2016）。然而，在实际应用中，尤其是在长时间暴露于光、O₂和H₂O等严苛条件下，碳点普遍面临光稳定性不足的核心挑战（Y. Wang等，2026）。光化学氧化和荧光淬灭会导致其光学性能显著退化，严重限制了其在光伏器件（B. Wang, Wang & Lu, 2025）、照明（Ji等，2023）和农业光转换薄膜（Ge等，2024；D. Li等，2021）等领域的应用。因此，开发一种能够从物理和化学两个层面协同保护碳点、同时集成多种光管理功能的稳健材料体系，是推动该领域发展的关键。

传统的物理封装或简单混合策略可以提供一定程度的物理隔离（Jiang等，2021；Zheng等，2024）。然而，非共价的弱界面相互作用往往导致屏障不完整，使碳点容易发生泄漏，难以有效抑制小分子渗透物（如O₂和H₂O）的扩散侵蚀（Wang, Liu等，2025；Y. Wang等，2026）。纤维素纳米晶（CNC）作为一种绿色可再生纳米材料，具有优异的机械强度和独特的光散射能力，为构建多功能复合材料提供了极具前景的平台（Calvino, Macke, Kato & Rowan, 2020；Qu, Rojas, Wei & Zussman, 2022）。然而，如何在碳点和CNC之间构建坚固稳定的化学连接，在充分利用CNC固有特性的同时实现对碳点的长效稳定性保护，仍是一个亟待解决的挑战。

基于上述背景，本研究的目标是开发一种由CNC和碳点组成的新型光转换复合材料。我们假设，通过一步酰胺化和硅烷化对碳点与CNC之间进行原位共价界面工程，可以形成坚固的交联网络（图1a、b）。该结构通过调节能带结构抑制活性氧的生成，从而增强碳点的光稳定性。同时，集成杂化体结合了碳点实现的光谱转换和CNC提供的光散射（图1c），赋予PVA薄膜双重光调节功能，以增强作物光合作用和生物量产量。所有实验结果均充分验证了这一假设。共价接枝显著提高了碳点的光学性能和抗光漂白能力。优化后的CNC-CDs/PVA薄膜使红光光子通量密度提升10.43%，希尔反应速率提高24.2%，最终使生菜鲜重增加23.41%，干重增加18.91%。本研究为开发高稳定性多功能农业光转换材料提供了一条有前景的策略。

章节摘要

材料

菠菜购自当地超市。3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）购自阿拉丁生化科技有限公司。纤维素纳米晶（CNC，4 wt%水分散液）购自赛路生物科技有限公司。2,6-二氯酚靛酚（DCPIP，97%）购自麦克林生化科技有限公司。无水乙醇购自天津富宇精细化工有限公司。所有化学试剂均直接使用，未进一步纯化。

CNC-CDs的合成

CNC的表征

CNC通过酸水解法制备，购自赛路生物科技有限公司。SEM图像显示该材料呈现典型的棒状形态（图S1a），平均长度为183.32 nm（图S1b），平均直径为7.22 nm（图S1c）。XRD图谱揭示了纤维素I型的特征衍射特征，计算结晶度为89%（图S1d）。FTIR分析进一步确认了纤维素特征官能团的存在（图）。

结论

本研究通过一步原位合成策略，成功构建了以共价键连接的CNC-CDs三维网络结构。该结构有效抑制了固碳点的聚集诱导淬灭效应，显著增强了其光稳定性。机理研究表明，共价界面工程通过调节能带结构促进了光生电子的转移，从而抑制了活性物的生成。

CRediT作者贡献声明

Wang Ying：写作—审校与编辑、写作—初稿撰写、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。Fan Xinyan：验证、方法论、形式化分析。Liu Jiayu：写作—初稿撰写、可视化、方法论。Wang Yonggui：写作—审校与编辑、写作—初稿撰写、监督指导、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。Xiao Zefang：写作—审校与编辑、方法论。Xie Yanjun：写作—审校与编辑，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金委员会提供的资金支持（31890774和31890770）。

Wang Ying|Fan Xinyan|Liu Jiayu|Wang Yonggui|Xiao Zefang|Xie Yanjun

教育部生物基材料科学与技术重点实验室，东北林业大学材料科学与工程学院，中国哈尔滨市和兴路26号，邮编150040