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南工大陈苏团队《Small》:碳点的大规模制备方法及其应用存在问题与展望
发布时间:2022-12-15

       在近二十年研究中,碳点(CDs)作为一种优异的零维碳基材料被广泛关注,尤其克级及千克级制备的研究报道屡见不鲜,然而,在碳点材料研究中,被广泛忽视的问题:1.忽视碳点(≤10 nm)制备中纯度的问题,目前所大规模制备的碳点纯度极低,一般低于13%,粒径大部分都远远大于10 nm,造成碳点优越性能无法体现;2. 如何大规模制备出合格且成本低的碳点,高效分离碳点技术仍不成熟;3. 能显示碳点量子效应或纳米效应碳点工业化应用严重缺乏。这三个问题严重阻碍了碳点的商业化应用。目前在工业界鲜见碳点成功应用的案例。

       鉴于此,南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授团队在长期碳点的研究中,着重针对上述问题开展了总结与论述。特别是对近年来克级及千克级制备碳点的多种方法进行了系统分类,并分析了个中利弊。重点关注碳点的连续化快速制备策略及其在材料增强、阻燃和储能方面的前沿应用。该文章以“Facile access to fabricate carbon dots and perspective of large-scale applications” (DOI: 10.1002/smll.202206671)为题发表在期刊Small上。南京工业大学硕士研究生陈林涛为第一作者,南京工业大学陈苏刘畅博士后为通讯作者。


图1 碳点的合成、功能化和大规模应用示意图。

规模化制备碳点的方法

       碳点的规模化制备是提高其工业应用价值的基础。自下而上制备碳点的方法相较于自上而下法更具成本效益、可扩展性和生态友好性,这在工程应用上更受青睐。目前,碳点的规模化、自下而上制备方法主要包括传统热解法、水热/溶剂热法、微波辅助法、磁热法、微流控法、超声法等。值得一提的是,传统热解和水热/溶剂热等工艺耗能费时,难以满足实际规模化生产的需求;而磁热、微波、超声通过引入超高的外部能量输入能够极大地缩短制备时间,微流控法则作为一种能够实现连续化生产的同时能显著提高产量的工艺,为工业规模化制备碳点提供了新思路。


图2 磁热法大规模制备碳点。

碳点的功能化

       掺杂是一种通过将杂原子插入碳点结构来修饰其固有结构的通用而便捷的功能化技术;而表面改性则是一种以应用需求为导向的功能化方法。二者都能有效地调节碳点的化学、光学和电学特性以适应不同的应用需求。


图3 碳点的功能化。

碳点的工程化应用前景

       碳点作为新型纳米材料中的一颗冉冉升起的新星,其纳米效应等特性有望用于工业应用。碳点在增强复合材料特别是纳米纤维的机械性能、阻燃和储能方面的独特性能正在被逐步发掘,这为未来碳点的工业化应用指明了发展方向,也无疑为碳点的工业化大规模制备提供了源源不断的动力。


图4 碳点在阻燃方面的应用。


图5 用于制备碳点的高通量微流控反应芯片(南京捷纳思新材料有限公司提供)。

总结与展望

      碳点发现至今,其多样化的制备方法和新兴应用不断涌现。虽然在碳点的规模化制备、功能化和应用方面取得了相当大的进展,但这一领域仍处于起步阶段,面临着以下亟待解决的关键问题。

1.目前尚无系统、快速、简便、绿色的高纯度碳点生产策略。

2.大多数碳点的合成研究忽略了分离纯化步骤的重要性,令人担忧的是,尽管透析作为碳点最常用的纯化方法,但透析时间和透析膜的截留分子量仍然没有标准或指南,其他较少使用的纯化方法在这方面存在着更大的问题。

3.随着规模化制备碳点技术的不断发展和完善,亟需扩展碳点在工程领域的大规模应用。近年来发现的碳点在聚合物中的优异阻燃性能意义重大,解决了传统商用阻燃剂在燃烧过程中产生有毒副产物及其高负载量导致聚合物机械性能急剧下降的问题,这也使碳点有望成为新一代商用阻燃剂。

可以预见,碳点高纯度、高产量、规模化生产策略的完善及其在各种新兴工程应用中作用机理的深入研究,将极大地推动碳点从基础研究向工业化工程应用方面发展。

论文信息:
Lintao Chen, Cai-Feng Wang, Chang Liu*, Su Chen*. Facile Access to Fabricate Carbon Dots and Perspective of Large-Scale Applications. Small, 2022, 2206671. 

DOI: 10.1002/smll.202206671

论文网址:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206671