报告内容

本文是一篇科学综述文章，介绍了基于碳点（Carbon Dots, CDs）材料的聚合物结构诱导室温磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）的研究进展。文章作者为Chengyu Zheng, Songyuan Tao和Bai Yang，分别隶属于中国吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室。本文发表于Small Structures期刊，文章编号为2200327，并于2023年通过Wiley-VCH出版社公开发表。以下为本文的主要内容和观点解析。

文章背景与主题简介

碳点是一类新型的荧光碳纳米材料，自2004年首次从烟尘中分离出具有荧光特性的碳点以来，便因其低成本、低毒性、生物相容性等优点而备受关注。虽然碳点的荧光特性已被广泛研究并应用于多个领域，但其室温磷光性质的探索却起步较晚。2013年，Shen团队首次报道了碳点与聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）复合薄膜的室温磷光现象，这一发现激发了对碳点室温磷光材料的进一步研究。

室温磷光是一种在室温下由三重态激子向单重态激子的辐射跃迁所产生的延迟发光特性，因其长寿命和光激发后持久发光性能而在防伪、信息加密、传感及白光LED等领域有巨大的应用潜力。传统的室温磷光材料多采用稀土无机物、金属有机配合物及部分纯有机化合物。然而，这些传统材料因成本高、毒性及复杂的合成工艺限制了其广泛应用。因此，设计新型室温磷光材料成为一项重要研究方向。

本文系统回顾了以碳化聚合物点（Carbonized Polymer Dots, CPDs）为代表的碳点材料在室温磷光领域的发展现状，并重点讨论了其聚合物结构对室温磷光性能的影响机制。此外，文章提出了交联增强发射效应（Crosslink-Enhanced Emission, CEE），进一步解释了碳点材料室温磷光的发光机制，并结合现有的研究提出了面向未来的发展建议。

碳点的结构特性及合成方法

碳点的分类与合成方法

碳点是一种零维碳基纳米材料，粒径小于10纳米，由sp2/sp3混合碳组成，并掺杂氧、氮等杂原子。碳点根据结构特性被分类为石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots, GQDs）、碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）及碳化聚合物点（CPDs）。目前，碳点的合成主要包括顶部-底部法（Top-Down）和底部-顶部法（Bottom-Up）。后者是更常用的合成方式，包括热解法、水热法、溶剂热法及微波辅助法等。

在底部-顶部法中，经由交联和聚合形成的碳点材料通常展现出明显的聚合物特性。原料中的功能基团（如氨基、羟基、羧基等）通过缩合反应生成低度交联的寡聚物，随后通过进一步聚合和碳化形成高交联的网络结构。一部分聚合物结构转化为碳骨架，另一部分则保持了聚合物特性，从而形成了具有聚合物和碳混合特征的CPDs。

CPDs的聚合物结构及其对RTP的影响

CPDs材料的聚合物结构（如聚合物链和交联网络）是促进室温磷光的重要因素。这些聚合物结构通过抑制非辐射跃迁，显著提高了RTP的效率。根据其内部结构是否能有效固定室温磷光中心，CPDs被进一步划分为两类：自保护型CPDs（Self-Protective CPDs）和基质辅助型CPDs（Matrix-Assisted CPDs）。

室温磷光的聚合物固定效应

自保护型CPDs的聚合物固定效应

自保护型CPDs通过高交联的聚合物网络提供强大的自固定作用。研究表明，聚合物网络能够限制RTP中心的分子振动与旋转，从而减少非辐射跃迁。以Wang团队为例，他们首次从分子角度验证了聚合物结构对室温磷光生成的关键作用。通过控制交联和碳化过程，生成的CPDs表现出显著的RTP特性。其他研究中，如使用聚乙烯醇（PVA）或丙烯酰胺（AM）作为原料也进一步验证了这一点。

Yang团队提出并验证了交联增强发射效应（CEE），认为交联过程不仅能固定RTP中心，还能调控碳点的能级。其理论计算表明，高交联区域的域限效应（Confined-Domain CEE）能增强电子云重叠，有效降低能隙，进一步促进三重态激发和RTP发射。

基质辅助型CPDs的聚合物固定效应

基质辅助型CPDs通过交联弱的聚合物结构与外加基质的相互作用（如氢键网络）实现RTP激发。如Shen团队首次合成的CPDs-PVA薄膜中，PVA基质通过氢键交联固定了碳点表面的C=O基团，最终实现RTP发光。类似地，其他聚合物基质（如PAM、PVP等）通过与CPDs的表面功能基团相互作用，增强了其固定效应。值得一提的是，有机小分子（如三聚氰酸）和无机基质（如LDH、沸石等）也可作为有效的基质材料，进一步提高碳点的RTP性能。

交联增强发射效应（CEE）

CEE效应是一个重要的理论模型，能够解释CPDs中聚合物网络对RTP增强的作用机制。交联可通过减少非辐射跃迁和调控电子能级来增强发光能力。在自保护型CPDs中，交联的聚合物网络提供了RTP中心的刚性固定，而在基质辅助型CPDs中，基质与碳点之间的超分子相互作用（如氢键）则起到了类似的作用。

RTP碳点材料的应用

1. 防伪与信息加密： RTP CPDs因其长寿命的余辉特性，在多级防伪及信息加密领域有广泛应用。例如，通过多色余辉图案可实现动态信息隐藏与加密。

2. 白光发光二极管（WLEDs）： RTP CPDs是开发高效单层白光LED的潜在材料。研究者成功构建了基于复合CPDs的多模式发光体系，用于高性能暖白、冷白光源。

3. 传感： RTP CPDs在pH值、温度及特定分子检测中表现出创新性应用。例如，基于CPDs和氢键网络的传感原理可实现对生物标志物（如5-羟吲哚-3-乙酸）的高灵敏度检测。

展望与结论

本文提出的聚合物结构对RTP的固定效应及CEE模型，不仅深化了对CPDs室温磷光性质的理解，也为设计新型高性能发光材料提供了参考。然而，目前在基质选择、结构表征及RTP调控方面仍存在诸多挑战。未来研究应重点探索以下方向：开发更丰富的基质材料，完善CPDs的聚合物结构表征方法，以及通过调控交联程度优化RTP性能。

总而言之，该综述系统总结了CPDs在RTP领域的重要进展，强调了聚合物结构对RTP性能的关键作用，提出了重要的理论模型（CEE效应），并为未来研究指明了方向。这对于推动室温磷光科技的进一步发展具有重要的科学价值和应用潜力。