高性能荧光碳量子点的宏量制备研究

Carbon quantum dots (CQDs) have emerged as a promising material for biomedicine and optoelectronic applications on account of carbon’s intrinsic merits of high stability, low cost, high abundance and environment-friendliness. We have demonstrated that highly tunable bandgap fluorescent CQDs can be an ideal alternative to traditional Cd2+/Pb2+-based quantum dots for the light-emitting diodes (LEDs) applications for the development of a new light and display technology. However, the existent preparation and isolation methods fundamentally limit their industrialization. Based on our work, we propose a new preparation strategy of radical reaction. by studying the reaction mechanism, reactants, reaction condition and their correlation, we will realize the massive preparation for high performance fluorescent CQDs and the application for the next-generation light and display technology.

由于具有来源广、成本低、环境友好、光热性质稳定等优点，荧光碳量子点在生物医学和光电器件等领域展示了广阔的应用前景。本实验室的工作证明，具有本征态发射的高性能全色荧光碳量子点有希望替代传统的半导体量子点应用于发光二极管的照明和显示技术中。目前面临的主要问题是苛刻的制备条件、复杂的分离手段以及极低的产率等。基于前期的工作基础，本项目提出全新的自由基辅助的合成策略。通过深入研究荧光碳量子点的形成机理、前驱体的结构和反应条件、碳量子点结构和性能之间的关系等，选择合适的前驱体、优化反应条件，实现高性能荧光碳量子点的宏量制备。进一步研究高性能荧光碳量子点在发光二极管中的应用，实现下一代新型照明和显示技术的实际应用。

碳量子点作为一种新型的荧光纳米材料，具有环境友好、成本低廉以及荧光发射波长可调等优势，在全色显示、固态照明、生物成像和药物递送等领域均受到了广泛的关注，而实现高性能荧光碳量子点的宏量制备是推动其实际应用的重要前提。基于前期的工作基础，本项目发展了一系列宏量制备碳量子点材料的合成方法，有望替代镉基和铅基等量子点材料应用于发光二极管的照明和显示技术等领域。借助自由基辅助的合成策略，通过溶剂热反应实现了克量级制备具有六边形结构的一系列荧光碳量子点(H-CQDs)，其荧光量子产率最高可达96%。通过进行球差电镜表征并结合理论计算，不含内部缺陷以及高度对称的六边形结构有助于H-CQDs在垂直方向上产生较大的跃迁偶极矩，从而显著增大了振子强度并提高了辐射复合速率。我们还通过溶剂热法合成了红/绿/蓝固体荧光碳量子环(R/G/B-SBF-CQRs)，其固体状态下量子产率最高可达46%。通过碳量子带边缘位点上的活性亚甲基(-CH2(CN)-)与醛基(-CHO)的亲核加成反应，将相邻的不同长度的碳量子带连接成环可有效地解决荧光碳量子点的聚集淬灭问题。以R/G/B-SBF-CQRs作为固态三基色荧光粉，其性能与商业化稀土荧光粉接近但具有更低的生产成本。综上所述，本项目发展了高性能荧光碳量子点宏量制备的新策略，不但积极推动了不含有毒金属元素、成本低廉的荧光碳量子点材料从基础研究走向实际应用，还指出了通过对碳量子点进行结构设计利用其三线态激子实现磷光和热激活延迟荧光以期进一步提升电致发光器件性能的新研究方向。本项目共发表高水平学术论文16篇，引用次数超过800次; 包括, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Adv. Sci., J. Phys. Chem. Lett., Chem. Commun., Nat. Biomed. Eng.和Nano Res.;受邀在J. Mater. Chem. C, Mater. Chem. Front., Aggregate, VIEW, Nanoscale, Chin. J. Chem.和Chin. Sci. Bull.等期刊撰写了综述文章。申请2项PCT专利2项，已经授权1项美国专利和4项中国发明专利。