华南农业大学刘应亮教授团队在碳点基室温磷光材料研究获进展

近日，华南农业大学材料与能源学院生物基材料与能源教育部重点实验室、广东省光学农业工程技术研究中心刘应亮教授团队在碳点基室温磷光材料研究中取得重要进展，相关研究成果以“Carbon Dots in Hydroxy Fluorides: Achieving Multicolor Long-Wavelength Room-Temperature Phosphorescence and Excellent Stability via Crystal Confinement”为题发表在纳米领域国际权威期刊《Nano Letters》上。材料与能源学院2020级硕士研究生梁萍和研究助理郑义浩（2019届材料科学与工程专业本科毕业生）为论文共同第一作者，庄健乐副研究员、刘应亮教授和香港理工大学黄维扬教授为共同通讯作者。

碳点（CDs）作为一种新兴的碳基发光材料，在发光领域引起了广泛的研究兴趣。近年来，CDs的室温磷光（RTP）性能备受关注。一些现有的策略已被用于制备具有优异性能的CDs基RTP材料，包括引入重原子或杂原子以及将CDs嵌入基质中，其中基质辅助方法得到了广泛的应用。当CDs被引入到刚性基质中时，CDs的三重态激子可通过一些限制效应（例如氢键、共价键、空间限制等）受到保护和激活以产生有效的RTP发射。然而，要获得具有优异稳定性的多色CDs基RTP材料仍然是一个挑战。根据以往的报道，当不同的CDs被分散在硼酸和尿素等一些常见的基质中，可以较为容易地实现多色RTP。但是，这些基质容易受到水、酸或碱等外界因素的破坏，进而导致碳点的磷光猝灭。当CDs被嵌入无机刚性基质（如沸石、二氧化硅）中，所得复合材料具有高效的RTP和良好的稳定性，然而，其磷光颜色以绿色为主，多色长波长RTP难以实现。尽管有报道在CDs@zeolite和CDs@silica体系中实现了红色RTP，但它们主要是利用了从CDs到金属离子或荧光染料的能量传递来实现红色发射。此外，单组分CDs的光刺激多色RTP已经被实现，但这是由于CDs中多个发射中心所产生的激发依赖性质导致的，它需要不同激发波长的光源来实现不同波长的发射。因此，开发一种既能在同一激发下实现CDs的多色长波长RTP又能保证材料稳定性的通用基质具有重要意义。

基于此，作者开发了一种新颖且通用的“CDs-in-YOHF”策略，通过将CDs引入到Y(OH)xF3-x（YOHF）基质中来合成具有明亮的绿色、黄色和橙色余辉的碳点基室温磷光材料。这种类型的无机材料首次被发现可作为激活CDs室温磷光的基质。研究表明，YOHF基质对CDs的空间约束以及CDs和YOHF之间的氢键和C-F键共同产生了多重限制效应，极大地抑制了CDs的分子内振动和旋转，从而有效地稳定了CDs的三重态激子，促进了磷光发射。这种效应被证实对大多数CDs稳定三重态有效进而产生RTP发射，即YOHF基质具有很好的普适性。

此外，由于YOHF刚性基质强大的保护作用，所得CDs@YOHF表现出优异的光稳定性、热稳定性、化学稳定性和时间稳定性，这有利于CDs@YOHF在不同环境中的长期使用。鉴于其出色的性能，团队初步探索了CDs@YOHF在信息加密、防伪和指纹识别方面的应用。总之，这些工作为构建多色且稳定性好的碳点基RTP材料提供了一种有效的设计策略，也促进了它们在信息安全和保护中的应用，特别是在复杂环境中的应用。

该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目等的资助。

来源：华南农业大学

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00603