首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 化学论文 > 理论化学论文 > 探索在光催化领域中碳量子点的应用

探索在光催化领域中碳量子点的应用

2020-02-12 393 上传者：管理员

摘要：碳量子点（carbonquantumdots，CQDs）的特点是易制备、低毒、生物兼容性好且光稳定性良好，其作为一种新型的零维碳纳米材料，在电致发光器件、生物成像、传感器等领域具有广阔的应用前景。同时碳量子点还具有上转换发光性质、尺寸依赖性、响应波长从近红外区延伸到可见区等优点，基于以上几点，被应用到了太阳能光催化材料领域。文章阐述了在光催化领域碳量子点的应用。

关键词：
上转换荧光
光催化
光敏剂
碳量子点
加入收藏

纳米材料因其独特的量子效应而表现出与普通块体材料不同的物理化学和光学性质，是目前材料科学领域的研究热点[1]。其中，碳纳米材料是绿色纳米技术中最具研究活力和发展潜力的一类纳米材料，而新型零维碳纳米材料，碳量子点（carbonquantumdots，CQDs），自2004年由Scrivens课题组在单壁碳纳米管中首次获得[2]，并在2006年由Sun课题组制得表面钝化后具有强发光性质的CQDs[3]后，就备受广大研究工作者的关注。CQDs泛指一种粒径小于10nm、具有石墨晶形或类金刚石结构的新型荧光碳纳米材料，是以碳为基本骨架、表面含有大量含氧基团的单分散类球形纳米颗粒[4-6]。它弥补了传统半导体量子点材料在细胞毒性、环境及生物危害性等方面的不足，具有易制备，低毒，生物兼容性好，以及良好的化学稳定性和耐光漂白等特点，在生物成像、荧光标记、药物传输及电致发光器件等领域具有潜在的应用前景[7]。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源。目前，基于“太阳能-化学能转化”的光催化转化效率离工业应用的要求还有相当大的差距，且高能量的紫外光和短波长的可见光可能会破坏有机物的结构。为了实现高效稳定光催化体系的构建，研究工作者们开展了一系列研究，主要包括院新材料的开发和改性，高效助催化剂的担载，及光催化反应中光生电荷的转移过程和化学反应动力学机理的研究。其中，光催化剂的吸光效率低下及产生的光生电子空穴对易快速复合这两大因素制约着光催化技术的发展和应用。而CQDs具有随量子尺寸可调的能级结构和光学性能，独特的光生电子传输性能，具有红外波段响应的上转换发光性质，且响应波长从近红外区延伸到蓝色可见光区，使其成为备受青睐的新型光催化材料[7-11]。近几年，关于CQDs在光催化领域中的应用不断见诸报道，除了作为光催化剂，CQDs在光催化体系中还可用作电子中间体、光敏剂、能量转换器、光催化活性中心等，实际上，CQDs在光催化体系的作用通常是以上多重效应的组合。

CQDs可以作为太阳能光催化体系中的光催化剂。Hu等提出了CQDs作为光催化剂的光催化反应机理，并强调CQDs表面含氧官能团是影响其光催化活性的重要因素[12]，根据他们给出的反应机理，CQDs表面的羰基和羧基会导致其HOMO和LUMO轨道大幅向上弯曲，形成宽的电荷耗尽层，抑制光生电子和空穴的复合；而CQDs表面羟基使其HOMO和LUMO轨道小幅上弯，形成窄的电荷耗尽层，不能有效抑制光生电子和空穴的复合。Kang课题组的一项研究表明，较小尺寸的CQDs（1~4nm）是高效的近红外驱动光催化剂，由于它们对H2O2具有高的催化活性和近红外光转换性，它能够高效专一的把醇类氧化成醛类，转化率高达92%，选择性更是高达100%[13]。而用电化学方法制备的较大尺寸的CQDs（5~10nm）能够生成光生电子，可被用作可见光下酸催化的一系列有机转换[14]。

CQDs具有优异的光学性质，除了作为光催化剂，还可作为光催化体系中的光敏剂，且与其它光敏剂相比，具有多方面显著的优势。首先，CQDs表面端基多为羧酸基团，使其易溶于水，易于功能化；其次，与其它碳材料或有机染料光敏剂相比，CQDs可通过环境友好的方法大规模合成；更重要的是，CQDs低毒、生物兼容性好，可以替代毒性金属量子点材料。Sun等利用PEGCQDs担载贵金属Au或Pt光催化还原CO2[15]，在这项工作中，CQDs作为光敏剂捕获可见光产生光生电子和空穴，促进光催化反应的快速而有效的进行。Martindale和他的团队报道了一篇利用CQDs作光敏剂与分子NiP催化剂复合光催化产氢的工作[16]，这项工作利用CQDs吸收紫外和可见光产生光生电子，进一步转移给水溶性的NiP还原质子产氢。

鉴于CQDs优异的光学性质，特别是上转换荧光性质，CQDs与TiO2复合的光催化材料有望能够高效的利用全光谱的太阳能。Lee课题组通过利用CQDs/TiO2复合光催化材料降解亚甲基蓝，发现可见光照射下50mg/L的亚甲基蓝能在25min内降解完，而相同条件下纯的TiO2只能降解不到5%[17]。Zhang等也研究了CQDs/TiO2的光电流性质和光催化降解亚甲基蓝性质，与纯TiO2相比，在全光谱下复合体系的光催化速率提高2倍，可见光下光催化速率提高了6倍[18]。CQDs/TiO2复合材料能够大大地提高体系的光催化效率，主要原因有院一方面是CQDs可以作为电荷存储器[19]，抑制TiO2表面电子和空穴的复合；另一方面，CQDs具有良好的上转换荧光特性，能够吸收400~600nm的可见光，并将其转换为300~400nm的紫外光，进而激发TiO2产生更多的电子空穴对，提高光催化活性。Yu等在可见光、室温条件下，以CQDs/ZnO材料作为光催化剂，光催化降解有毒气体，CQDs负载在ZnO表面形成“dyade”结构，在可见光照射下可诱导电荷发生转移，有效抑制电子空穴对的复合，同时吸附在CQDs表面的O2与CQDs上的电子可组合成超氧自由基（窑O2-），确保在可见光激发下光生电子和空穴具有高效的反应活性；其次，该体系也利用了CQDs上转换荧光特性，将吸收的长波长光转换为短波长光激发ZnO，提高光催化活性[20]。随后，他们研究组还利用简单的一步水热合成法制备了CQDs/P25复合光催化剂，用于光催化分解水产氢[21]。CQDs/P25表现出了高效的可见光驱动光催化产氢活性，紫外可见光照射下复合体系的光催化产氢速率是纯P25的4倍左右。

除了与TiO2和ZnO这两种常用半导体催化剂复合之外，基于CQDs材料的其它复合光催化体系也在不断涌现。Liu等利用CQDs/C3N4纳米复合材料实现了光催化分解水制备H2和O2，激发波长在420+20nm、580+15nm、600+10nm条件下，体系的量子效率分别为16%、6.29%和4.42%，同时其总的太阳能转换效率为2.0%，该成果发表在Science上，为洁净能源的开发提供了新的研究思路[22]；Kang等利用CQDs/Fe2O3复合材料提高了可见光下降解有毒气体（苯和甲醇）的反应活性[23]；CQDs/Ag3PO4复合光催化体系降解甲基橙仅需25min，与单独的Ag3PO4相比降解时间大大缩短，且反应完毕回收的催化剂仍保持很高的活性及稳定性[24]；Di等通过实验证明利用CQDs/Bi2MoO6复合体系光催化降解环丙沙星的活性与单独的Bi2MoO6相比有显著提高，并指出这主要得益于Bi2MoO6导带上光生电子到CQDs的快速转移过程促进了光生电荷的分离，从而提高了光催化活性[25]。

总的来说，自2004年CQDs首次发现后，人们发展了一系列简单且经济高效的CQDs合成方法，还成功地将其应用从生物、医学、电子器件等领域拓展到太阳能电池、光电及光催化技术等前沿科学领域，本文主要介绍了CQDs在光催化领域的应用及相关研究成果。目前，关于如何制备出多颜色多功能的CQDs来增加体系的量子效率，如何提高CQDs基复合光催化材料的活性等，仍需我们进行不懈的探索。

参考文献：

[1]叶明富,陈丙才,方超,等.物理化学进展,2017,6,128.

杜婷婷,王春旭,李佳慧,叶云.碳量子点在光催化领域的应用[J].云南化工,2019,46(8):149-150.

基金项目：沈阳师范大学大学生创新创业训练项目（项目编号院201910018）；沈阳师范大学化学化工学院教育教学改革培育项目（项目编号院CCCE-2018-JG-05）