氮掺杂碳点的合成与应用

氮掺杂的碳基纳米酶

氮掺杂的碳基纳米酶是一种具有催化活性的纳米材料，其结构主要由碳原子和氮原子构成。它们被设计用作生物催化剂，模仿天然酶的功能，具有高效催化活性和良好的稳定性。

氮掺杂的碳基纳米酶通常是通过合成方法来制备的，其中常用的方法包括碳化剂热解法、化学气相沉积法和水热法等。在制备过程中，氮源被引入到碳材料中，与碳原子形成氮掺杂位点，从而赋予纳米酶催化活性。

这些氮掺杂的碳基纳米酶在生物催化反应中展现出许多优点。首先，它们具有较高的表面积和可调控的孔隙结构，提供了更多的催化活性位点和较大的反应表面积。其次，氮掺杂可以调整纳米酶的电子结构，增强其对底物的吸附和电子转移能力，从而提高催化效率。此外，氮掺杂还可以增强纳米酶的化学稳定性和抗氧化性能。

氮掺杂的碳基纳米酶被广泛应用于许多生物催化反应中，如氧还原反应、电解水制氢、有机物催化转化等。它们显示出与天然酶类似甚至更好的催化性能，为开发高效、环保的催化系统提供了新的可能性。此外，由于其良好的生物相容性，氮掺杂的碳基纳米酶还具有潜在的生物医学应用，如药物传递、癌症治疗等领域。

氮掺杂的碳基纳米酶仍然是一个活跃的研究领域，尚需进一步的研究和探索，以实现其在实际应用中的广泛应用。

碳量子点和碳纳米管、 石墨烯一样是一种新型碳纳米材料， 除了碳材料本身 的低毒特性，原材料丰富，生物相容性好之外， 碳量子点还有一系列其他的独特 的性质，例如：多色荧光性、荧光稳定性、导电性和催化特性等。 常用来制备 碳量子点的方法分为自上而下和自下而上两种方法， 其中自上而下的方法是指大 分子碳材料通过一定的物理、 化学等方法破碎成小分子的碳纳米颗粒， 包括：电 解法、酸刻蚀、 激光刻蚀和高温热解等方法。 而自下而上的方法是指将小分子的 碳材料通过一定的化学手段合成团聚成更大分子量的碳纳米颗粒， 其中包括：化 学合成法、水热法、溶剂热法、等方法。

其中我们主要挑选了几种比较常见的制备碳量子点的方法。 自上而下中最长 用的是酸刻蚀自然界存在的碳源， 或者人工合成出来具有特定结构的碳源， 前者 是对自然存在的碳源加以利用， 后者是为了得到更好的碳结构而处理的。 常用酸 刻蚀的自然界的碳源包括动物毛发、植物纤维等，例如酸刻蚀人类头发 [3] ，这类 材料最大的特点就是原料丰富， 价格低廉， 是材料多级利用很好的选择。 另外常 用碳纤维、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等结构有序的碳材料 [4-8] 作为碳点的 制备原材料，这类材料可以给碳量子点提供更加规则， 具有高度结晶特性的结构。 碳量子点一般选择硫酸和硝酸等稳定的浓酸作为溶剂刻蚀碳材料， 硝酸和硫酸按 体积比 3:1 的混酸是现在酸刻蚀碳材料制备碳量子点的主要方法。 这种方法可以 根据不同的需要来调节碳量子点表面的含氧基团，是一种表面改性的很好的方 法。但是由于酸的引入很难简单地分离和纯化， 这也是限制这种方法发展的主要

原因。此外除了酸刻蚀方法外，电化学方法点解石墨棒也得到了很大的发展 [1] 。

将电极两端接上一定的电压电解成碳量子点溶液， 这种方法简单， 易操作， 而且 基本不引入其他杂质， 很好的提纯和分离， 是这种方法得到广泛的关注。 高温热 解碳材料是一种传统的制备碳量子点的方法， 一般将碳源材料在高温下人分解成 小分子碳点，通过溶剂提取，从而分离纯化，但是这种方法的产率太低，因此发 展受到很大的限制。

科学技术创新2020.04

氮掺杂石墨烯的制备方法及在电催化还原方面的应用

王鹏楚英豪

(四川大学建筑与环境学院，四川成都610065)

目前通过掺杂改善石墨烯的催化性质的方法已经得到了广

泛的研究，可以通过在石墨烯晶格中掺杂杂原子（N、B、S和P）

来调控石墨烯自身的电子结构和几何特征，这种调控对于电催

化还原性能具有有利的作用。氮掺杂因为其简单的合成方法和

低廉的成本受到了广泛关注，因为氮掺杂石墨烯在电催化还原

体系中稳定和优异的特性，已经应用于多种电催化还原体系。

本文总结了部分高温合成氮掺杂石墨烯的方法，以及氮掺杂石

墨烯在电催化还原体系中的应用，为合成不同氮含量和不同氮

种类的氮掺杂石墨烯提供参考。

1氮掺杂石墨烯

将与C原子大小相当的N掺杂进入石墨烯的晶格可以得

到氮掺杂石墨烯，N的引入可以改变石墨烯零带隙的电子结构，

并且N-C键的形成可以改变氮掺杂石墨烯的电负性掺杂的N

通过与C的结合方式分为吡啶氮，石墨氮和吡咯氮（如图1），N

直接在石墨烯面内进行掺杂得到石墨氮，提供两个Pπ电子；N

在石墨烯边缘与C结合得到吡啶氮，提供1个Pπ电子；N在缺

陷位与5圆环的C成键得到吡咯氮，吡咯氮可以提供更多的电

子。

图1氮掺杂石墨烯示意图2氮掺杂石墨烯的合成

目前，合成氮掺杂石墨烯的方法包括水热法、溶剂热法、等

离子体法、高温热解等方法。由于在高温方法得到的结构更加

稳定，并且有一定的碳化作用，对电催化还原有利，因此本文总

结了部分高温合成氮掺杂石墨烯的方法（图2）。

图2高温合成氮掺杂石墨烯示意图

2.1氨气处理

SadiaKabir[6]等先将氧化石墨烯在800摄氏度的温度下，用

氢气焙烧还原1小时，其主要目的是为了尽可能还原氧化石墨

烯上的空位，使其被还原为还原氧化石墨烯。然后将还原后的

还原氧化石墨烯用25%的氢氟酸处理，其目的是为了去除表面

的含氧官能团，并且得到有三维结构的石墨烯。最后将处理后

的还原氧化石墨烯在10%的氨气气氛，850摄氏度的温度下烧2

Vol.422021年2月No.2349~365

［综合评述］CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES高等学校化学学报

碳点的设计合成、结构调控及应用

孙海珠1，2，杨国夺2，杨柏1（1.吉林大学化学学院,超分子结构与材料国家重点实验室,长春130012；2.东北师范大学化学学院,动力电池国家⁃地方联合工程实验室,长春130024）

摘要碳点是一类环境友好且性能独特的纳米粒子,在光电转换、生物医学、催化及储能等领域的研究日益活跃.碳点主要分为碳量子点(CQDs)、石墨烯量子点(GQDs)和碳化聚合物点(CPDs),其中CPDs作为一种新型碳点,具有合成原料广泛、碳化程度及共轭结构可调且材料相容性好等优点.本文综合评述了近年来碳点尤其是CPDs的合成方法;阐述了通过选择前驱体分子、控制反应条件及掺杂原子等手段实现对其碳化和共轭程度、晶格和能级结构的调控,从而建立碳点及其杂化与复合材料微纳结构与性能之间的关系;最后,介绍了碳点在生物标记与成像、光(电)催化、光电转换及储能等领域的应用,并对碳点领域的发展前景进行了展望.关键词碳化聚合物点；构效关系；碳点中图分类号O634文献标志码A

当前，随着能源危机和环境污染等问题的日益加剧，新能源材料的发展和利用成为实现能源可持续发展的有效途径之一.在众多环境友好材料中，碳点由于具有合成原料来源广泛、低毒及低成本等优势而受到了科研人员的关注.早在2004年荧光碳点就被人们通过物理方法从碳材料中提取出来［1，2］，但当时无论是产率还是荧光效率都很低，并未引起人们广泛关注.随后，人们发展了自上而下和自下而上等多种化学方法，获得了结构和性能各异的碳点，不仅降低了碳点的制备成本，提升了产率，碳点的各种独特性能也不断凸显出来，使其不仅可应用于生物医学、检测与传感等领域，而且在能源转化和存储方面也展现出巨大发展潜力［3］.根据结构、性能和制备方法的不同，碳点主要分为碳量子点（CQDs）、石墨烯量子点（GQDs）和碳化聚合物点（CPDs）（图1）.其中，碳量子点通常是横向和纵向尺寸相似的三维多层石墨结构，既可通过自上而下的物理方法制备，也可由具有高度对称结构的平面分子采用自下而上的化学法合成［4］；石墨烯量子点以单层或小于5层的石墨烯为碳核，边缘键连化学基团，主要以石墨为原料通过自上而下的化学过程剥离切割得到［5，6］；CPDs一般为球形，其内部是高度交联或具有轻度碳化的网状结构，外部为亲水聚合物链或功能基团，通常以小分子或聚合物为原料，采用自下而上的化学法，经历聚合、交联和碳化等化学过程来制备.CPDs这种特殊的结构既可继承原料自身的分子特性，又可体现由聚合和碳化带来的高分子链及量子点特性；既赋予其良好的溶液分散性及与其它功能材料的相容性，又具有稳定性好及毒性低等性质，在实现功能强化与集成方面具有一定优势.我国在碳点领域的研究具有显著优势，在多个研究方向处于国际领先地位.2010年，Pan等［5］采用水热法以氧化石墨为原料制备了具有蓝色荧光发射的石墨烯量子点.自2011年以来，本课题组发展了一系列合成碳点的新方法：以氧化石墨为原料，通过一步溶剂热法制备具有强绿色荧光发射的石墨烯量子点［6］；以小分子柠檬酸和乙二胺为原料，采用一步水热法高效制备具有高量子效率的碳化聚合物doi：10.7503/cjcu20200659