煤基荧光碳点的高效、绿色合成及其性能调控

Coal consists of an abundance of nanometer-sized crystalline carbon domains with defects that are linked by organic amorphous carbon. Fluorescent carbon dots (CDs) can be produced by removing organic carbon. It is different from strong oxidizing acid treatment of coal that we will develop a novel strategy for producing high quality coal-derived fluorescent CDs via a selective oxidation reaction, which utilizes active hydroxyl radicals (*OH) from hydrogen peroxide to remove organic amorphous carbon in coal on the basis of the different stability of crystalline carbon and organic carbon. This method is green, facile, safe and effective without incurring the burden of toxic gas emission or the need for stringent, tedious, intricate, or costly purification steps. We will offer the optimal reaction conditions to prepare CDs from coal by investigating how to control the number of *OH generated in the reaction system and how to tailor the ability to selectively oxdize coal. To utilize coal-based CDs in various fields, their properties will be tuned by introducing hereoatoms on their surface; their assembly will be also performed to explore the charge transfer process from CDs. Moreover, we will show and improve the performance of coal-based CDs in photocatalysis and optoelectronic devices. Our works may lead to alternative uses of coal in areas other than energy producing via burning of this great resource.

煤中拥有丰富的纳米尺寸的晶体碳，把它们从无定型有机碳中剥离出来就能获得荧光碳点。不同于现有的强酸（浓硝酸及与浓硫酸的混合酸）高温处理煤及产品获得碳点的方法，本项目拟发展用双氧水产生活性羟基选择性氧化煤中有机碳制备荧光碳点。该方法的优势是不仅无毒性气体释放和接触强酸的危险，还不对产品造成污染。.本项目将通过解决如何控制活性羟基产生的数量及活性羟基数量如何决定选择性氧化煤的能力问题，明确出高效、可调制备煤基碳点的最佳条件。为了使煤基碳点实现多功能化和多领域应用，我们将在煤基碳点表面引入异质元素用于调控其表面电荷分布，以此提升或改变煤基碳点的原有性能；发展煤基碳点组装技术，厘清碳点与碳点、碳点与基体之间电荷传递的机制。验证并开发煤基碳点及其组装体在光催化、光电器件等领域上的应用，给出影响煤基碳点能量转化效率的关键因素。因此，本项目将为煤及其产品的高附加值应用开辟出一条新的途径。

为了开辟出煤及其产品高附加值应用的新途径，本项目以煤及煤基产品为原料低成本、绿色、高效地制备可媲美传统半导体量子点性能的荧光碳点。煤及其产品中拥有丰富的纳米尺寸的晶体碳，把从联接它们的无定型有机碳中剥离出来就能获得荧光碳点。不同于现有的强酸（浓硝酸及与浓硫酸的混合酸）高温处理煤及产品获得碳点的方法，本项目发展了一套新的选择性氧化刻蚀煤及其产品的技术。（1）通过控制双氧水的浓度和反应条件，成功的开发出了用煤高产率制备荧光碳点的方法；因为该方法得到的碳点荧光发射颜色单一，我们又用低成本的磷酸氢二铵作为修饰剂，发展出了双发光中心的煤基碳点。（2）调制双氧水与甲酸比例，利用煤质沥青为碳源，成功的开发出了浓度决定的多色荧光碳点；该方法不需要额外能源输入、制备工艺简单且可以宏量生产。.基于以上方法得到的煤基荧光碳点，一方面我们确认了不同表面基团对荧光碳点的影响，以此为基础创造了新功能并在荧光检测、能量转化等领域得以应用。另一方面作为复合材料的组元之一，设计了一系列结构多样的复合体和组装体。研究发现，碳点的引入可以降低复合材料的界面阻抗、提高光生电荷分离与转移的效率，同时还能够起到调节材料的能级结构的作用。因此，煤基荧光碳点可以成为底层设计人工光能转化材料的基本组元。.总体上，我们的研究不仅强调开发低成本、绿色、高效合成煤基荧光碳点的方法，而且更注重所开发碳点应用范围、程度和规模，希望能实现煤及其产品的高附加值利用。项目完成了预期目标，已处于了领域的前沿。在Small、Chemical Communications、Carbon、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A/C等国际TOP期刊发表成果论文18篇，另有多项工作完成并正撰写论文或已投稿；申请国家发明专利8项，获授权国家发明专利6项；发表论文已经得到同行广泛关注和引用评价，相关成果获山西省自然科学二等奖一项，申报山西省自然科学奖一项（2018年）。培养了多名研究生或青年教师，团队整体实力进一步增强，平台建设更加完善。