二维限域合成碳点复合材料及其荧光性能调控

Carbon dots (CDs), a newly emerging kind of 0D carbon material, have gained considerable attention for their high aqueous solubility, facile preparation and low toxicity; and their potential applications have been extensively explored in bioimaging, photocatalysis, optoelectronics, and sensors. How to attain carbon dots based phosphors with fluorescence covering the entire visible spectrum and avoiding aggregation induced quenching simultaneously is of scientific and technological importance, and remains a challenge. In this project, based on the versatile modulating properties and confined 2D interlayer space of layered double hydroxides (LDHs), highly emissive carbon dots are synthesized within the 2D confined region of LDHs. The composition, structure and configuration of synthesized carbon dots can be tuned by adjusting the charge density, metal element of the LDH host or intercalated organic species; thus fluorescence properties can be modified and cover the entire visible spectrum. The impact mechanism of 2D confined effect on synthesis reaction, chemical constitution and fluorescent properties are revealed by both experimental studies and theoretical calculation. Prospective applications of CDs/LDHs material are demonstrated both in display and sensing.

碳点是一类新型的碳纳米材料，由于具有原料来源广泛、易于制备和功能化、较好的水溶性以及高生物相容性等优点，在显示照明、光催化、生物成像和传感等方面的应用受到了广泛的关注。但是如何可控制备一系列发光颜色可调变的碳点复合材料同时避免其在固态条件下的聚集猝灭仍然是一项极为关键和富有挑战性的课题。本项目基于层状双金属氢氧化物（LDHs）独特的二维限域空间与可调变性，拟以二维LDHs为微反应器，在限域空间内触发原位合成反应，得到具有荧光性质的碳点/LDHs复合材料；通过调变层板金属元素种类、比例、带电量和客体分子，实现对于碳点组成、结构、构型的调控，获得发光颜色覆盖整个可见光谱范围的碳点复合材料。通过实验和理论计算相结合的手段，研究层间限域作用对合成反应的影响机理，研究LDHs限域效应对材料结构和发光性能的影响；最终探索复合材料在显示、传感等领域中的应用前景。

碳点作为一类新型的碳纳米材料，如何可控制备一系列发光颜色可调变的碳点复合材料同时避免其在固态条件下的聚集猝灭仍然是一项极为关键和富有挑战性的课题。本项目以二维LDHs为微反应器，在限域空间内触发原位合成反应，得到具有荧光性质的碳点/LDHs复合材料。通过实验和理论计算相结合的手段，研究层间限域作用对合成反应的影响机理，研究LDHs限域效应对材料结构和发光性能的影响，主要取得了以下研究成果：1. 获得了一系列具有优异光学性能的CD/LDH复合荧光和磷光材料，实现对发光波长、寿命、量子产率的调控和优化，发光波长覆盖可见光范围。2. 研究了限域合成反应对于碳点生成反应的影响机制，以及对材料化学结构和物理性能的影响。3. 研究了限域空间主客体相互作用以及杂原子掺杂对于碳点和复合材料光学性质的影响，并实现初步的应用研究。此外，迄今为止，围绕着课题任务书所涉及研究内容，课题组已在学术刊物上发表SCI研究论文5篇；培养硕士生研究生3人，联合博士研究生1人。课题组圆满完成了项目计划任务书所规定的研究内容，实现了预期目标。