背景介绍

碳点（CDs）是一种具有光致发光性能的碳基纳米材料，因其多色荧光、生物相容性、优异的水溶性、低毒性等优异性能而受到广泛关注。其在生物成像，细胞标记，离子检测，防伪，光电等领域具有广泛的应用。迄今为止，已开发出多种合成策略（如：水热法、溶剂热法、微波法、超声波法、等离子体法和激光烧蚀）以及合成前体（如：柠檬酸和乙二胺、尿素、苯二胺和间苯三酚）来制备CDs。发光太阳能聚光器（LSCs）是一种很有前途的聚光装置，一般由光波导材料和光致发光基质组成。为了获得高性能的LSCs，光致发光基质应具有高的光致发光量子产率（PL QY），吸收光谱和发射光谱重叠程度小，宽的吸收光谱以及良好的稳定性。

研究出发点

在CDs纳米材料蓬勃发展的同时，对于CDs结构的详细研究及其光致发光机理的研究需要进一步突破。目前，CDs在LSCs方面的应用受到越来越多的关注。因此，开发同时具有高固态量子产率与稳定性的CDs将是一个重要且亟待解决的问题。

全文速览

针对上述科学问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授团队以柠檬酸、尿素为前驱体通过一步溶剂热法制备了PL QY=53%荧光CDs，通过柱色谱分离，得到了PL QY=92%的黄色荧光碳点（Y-CD），并对Y-CD实施了各种光学和结构表征以及DFT理论计算，以确认Y-CD的大致结构和荧光来源。值得注意的是，所制备透明Y-CDs/丙烯酸树脂薄膜具有高且稳定的固态荧光发射，其PL QY可达98%，并且在450 nm的蓝光连续照射 180 小时下其荧光强度基本没有变化。具有高荧光、良好的荧光稳定性和较大的斯托克斯位移的Y-CDs/丙烯酸树脂薄膜可用于构建具有低光学损耗（在17 cm光学长度下保持原始PL强度的54.3%）和高光学性能（内部光量子效率η_int：68%）的大面积LSCs（5 cm × 5 cm × 0.2 cm）。Y-CD 薄膜的外量子效率（η_ext）在442 nm处确定为约3.10%。此外，Y-CD薄膜粉碎成粉末可代替传统的黄色荧光粉用于构建暖光LED。这些研究将促进了高性能CDs在光电应用领域的发展。

该研究成果以Yellow-Emissive Carbon Dots with High Solid-State Photoluminescence 为题发表在国际重要刊物《Advanced Functional Materials》上。通讯作者王彩凤教授，杨晓宁教授，陈苏教授，第一作者博士研究生郭佳壮。

该课题得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。

                                                                              图文速览

图1.（a）具有高溶液和薄膜PL QY的CDs的合成策略。（b）Y-CDs的代表性分子结构。（c）Y-CDs在溶液和薄膜中的PL QY与其他由柠檬酸和尿素制备的CDs相比。

图2.Y-CDs在二氯甲烷中的光学性质。（a）Y-CD的UV-Vis、激发和PL发射光谱。插图：Y-CDs的二氯甲烷溶液分别在日光和365 nm紫外光下的照片。（b）用不同激发波长测量的Y-CDs的PL发射光谱。（c）Y-CD的时间分辨荧光衰减曲线。在553 nm （λ_ex = 445 nm）的发射峰处收集数据。（d）Y-CDs（黄线）和众所周知的具有高蓝色发射的CDs（通过水热处理柠檬酸和乙二胺（蓝线））的PL光稳定性测试。用450 nm蓝光照射处理样品。

图3.Y-CDs的结构特征。（a）TEM图像。插图：相应的粒径直方图。（b）HRTEM图像。插图：单个Y-CDs的HRTEM图像。（c）拉曼光谱。（d）XRD图谱。（e）FT-IR光谱。（f）XPS图谱和高分辨率（g）C 1s和（h）O 1s XPS光谱。（i）¹H-NMR和（j）记录在CDCl₃中的¹³C-NMR光谱和（k）Y-CDs的一般结构。

图4.时间相关的DFT计算结果。结构模型包含19个稠合在一起的芳环和几个边缘基团：（a1）提出的原始Y-CD分子结构模型，（b1）去除与稠合苯环共轭的羰基（C=O），（c1）去除直接连接到稠合苯环上羟基（-OH），（d1）去除与稠合苯环共轭的羟基（-OH）和氨基（-NH₂），以及（e1）去除与稠合苯环共轭的羟基（-OH），氨基（-NH₂）和羰基（C=O）基团。计算得到（a1，b1，c1，d1，e1）所对应的HOMO（a2, b2, c2, d2, e2）, LUMO（a3, b3, c3, d3, e3）和PL/UV-Vis （a4, b4, c4, d4, e4）光谱。（f）（a1, b1, c1, d1, e1）的能级示意图。

图5.Y-CD薄膜的光学性能及其潜在应用。（a）Y-CD薄膜在450 nm蓝光连续照射下的PL稳定性测试。插图：分别在日光和365 nm紫外光下拍摄的Y-CD薄膜和荧光粉的照片。（b）用于测量PL QY的Y-CD薄膜（蓝线）的PL发射光谱。（c）Y-CD LSC组件分别在日光、白光LED、氙灯和365 nm紫外光下的照片。（d）暖光LED的发射光谱。插图：LED 灯在熄灯和亮灯状态下的照片。几张重要的支持信息图：

图S1.Y-CDs合成和分离的示意图。

图S11.（a）Y-CDs透析分离成样品1-4的示意图。（b）在日光和紫外光（365 nm）下拍摄的CDs 1-4样品在二氯甲烷中的照片。（c）CDs样品1-4的归一化PL光谱。

图S19.Y-CD LSC组件和CsPbBr₃纳米晶体LSC组件中PL强度作为荧光传播长度的函数的比较。图示为距离相关的荧光强度测试方法。 

图S22. Y-CD LSC组件的总体PL QY和表面PL QY （λ_ex = 442 nm）。插图是光学效率测量的基本方案。