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

【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

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

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

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

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】

杨柏教授课题组近年来主要研究方向是通过在分子设计、纳米杂化和在介观尺度上构筑新型有序微结构，来实现聚合物光学材料的高性能化和功能化，截至2017年7月（Web of Science）发表论文500余篇，被引用 16000 余次（H因子63）。在国际会议上做邀请报告和大会报告60余次。

今后几年，课题组将主要围绕“聚合物微纳结构与光功能材料”开展研究，包括: 聚合物碳点等新型荧光碳纳米点的合成、性能及应用研究；聚合物与硅纳米晶、石墨烯量子点复合用于高折射率光学材料；新型光电聚合物分子与半导体纳米晶水相杂化用于光电材料与器件；聚合物多级有序微结构与光子材料，如：多维光子晶体材料、图案化聚合物分子刷及生物分子响应与检测等。在开展基础研究工作的同时，课题组还将努力将上述研究结果用于发展新型高折射率杂化材料，新型光电杂化材料与器件，新型传感、减反射和光子学材料等。

【主页链接】：http://supramol.jlu.edu.cn/people/yangbai/

本文由材料人编辑部纳米学术小组大嘴巴荼荼供稿，材料牛编辑整理。

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