吉大杨柏Angew. Chem. Int. Ed：设计一类具有室温磷光

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

吉大杨柏Angew. Chem. Int. Ed：设计一类具有室温磷光性质的聚合物碳点

大嘴巴荼荼 2年前 (2018-02-15) 2854浏览

【引言】

原子或分子中的电子通过吸收入射光从较低能态跃迁到激发态，再由激发态衰变到低能态的辐射发光过程称作光致发光，辐射跃迁过程会产生荧光或磷光。然而，激发分子在三线态的磷光辐射跃迁过程有相对较长的寿命，容易与溶剂分子碰撞而失活或被顺磁类物质猝灭，导致室温下流体介质中的磷光减弱或消失。早期常将磷光试样冷却到液氮温度形成低温刚性玻璃体以观察磷光，即低温磷光，而深冷的实验条件使其应用受到了限制。因此，室温磷光因较长的寿命和较宽的斯托克斯位移，在生物成像、光学记录、防伪系统等诸多高新科技领域有着诱人的应用前景。聚合物碳点是由高分子适度交联碳化或通过碳核和聚合物组装形成的碳纳米点。它作为一种新型的无金属室温磷光材料，具有诸多优异的性能如低生物毒性、良好的加工性、较低的成本、优异的柔性、适合大面积制备等得到了人们的广泛关注。

【成果简介】

近日，吉林大学超分子材料与结构国家重点实验室杨柏教授（通讯作者）在Angew. Chem. Int. Ed杂志上发表题为“Design of Metal-Free Polymer Carbon Dots: a New Class of Room-Temperature Phosphorescent Materials”的文章。他们采用聚丙烯酸和乙二胺等一步水热法制备出聚合物碳点，其磷光寿命值达到658ms，固态总量子产率为28.77%。更为重要的是，杨柏教授课题组在此基础上设计并合成的一系列室温磷光聚合物碳点都兼具高效率和长寿命的优异特性，并通过DFT第一性原理计算揭示了此类室温磷光聚合物碳点的磷光起源：是由聚合交联效应限制了官能团的振转，促使了单线态到三线态的跃迁，从而诱导了室温磷光。该项工作的第一作者为吉林大学硕士研究生陶淞源和郑州大学化学与分子工程学院副教授卢思宇，感谢杨柏教授和卢思宇博士对本文的写作指导与修改。

【图文导读】

图1. 室温磷光聚合物碳点的光谱和结构表征

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a.聚合物碳点PCDsI-1水溶液的荧光光谱图与UV下光学照片

b.聚合物碳点PCDsI-1固态荧光光谱图与UV下光学照片

c.聚合物碳点PCDsI-1粉末磷光光谱图

d.聚合物碳点PCDsI-1， PCDsI-2， PCDsI-3粉末UV下光学照片

e.聚合物碳点PCDsI-1， PCDsI-2， PCDsI-3粉末的磷光寿命光谱

f.聚合物碳点PCDsI-1， PCDsI-2， PCDsI-3粉末的紫外吸收光谱

g.聚合物碳点PCDsI-1， PCDsI-2， PCDsI-3粉末的红外光谱

h.聚合物碳点PCDsI-1， PCDsI-2， PCDsI-3粉末的X射线光电子能谱

图2.三种室温磷光聚合物碳点的高分辨X射线光电子能谱

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a.b.c.分别为PCDsI-1的C1s, N1s, O1s精细谱

d.e.f.分别为PCDsI-2的C1s, N1s, O1s精细谱

g.h.i.分别为PCDsI-3的C1s, N1s, O1s精细谱

图3.三种室温磷光聚合物碳点室温磷光来源的计算分析

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a.三种室温磷光聚合物碳点可能的交联位点

b.未交联结构的能级

c.交联后结构的能级

d.交联增强发射效应的机理图

图4.室温磷光聚合物碳点的荧光/室温磷光应用

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保密图案和字母的应用

【小结】

文章合成制备了一系列具有室温磷光的聚合物碳点，提出了一种制备室温磷光材料的方法，使其磷光寿命最长可达658.11ms，并且采用DFT第一性原理计算揭示了此类室温磷光聚合物碳点的磷光起源：是由聚合交联效应限制了官能团的振转，促使了单线态到三线态的跃迁，从而诱导了室温磷光。增加了室温磷光材料家族的种类，同时也拓展了聚合物碳点的性质，对碳点的研究发展起到至关重要的作用。

【文献链接】：Design of Metal-Free Polymer Carbon Dots: a New Class of Room-Temperature Phosphorescent Materials (Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/ange.201712662)

【课题组简介】