碳點發展二十年——從基礎研究到前沿應用

碳點（Carbon Dots，CDs）作為一類新興的零維碳基納米材料，自發現以來便因其可調控的光致發光性能、低毒性、生物相容性優異以及原料來源豐富等優勢，迅速成為納米材料與功能材料領域的研究熱點。近年來，碳點的研究已從最初的熒光標記逐步拓展至光電器件、生物成像、化學與生物傳感、信息防偽以及能源與環境催化等多個重要方向，展現出廣闊的應用前景。然而，盡管碳點研究取得了大量進展，其發展仍面臨若干核心科學問題與技術瓶頸：例如碳點的精確定義與分類尚存爭議，其形成機制、微觀結構與發光機理仍未完全厘清，不同合成路線下碳點結構高度不均一，限制了其光學與電子性質的可控調節與規模化應用。因此，系統梳理碳點領域的發展脈絡、關鍵突破與未來挑戰，對于推動該領域從“現象驅動”走向“結構—性質—功能理性設計”具有重要意義。

近期，受Science China Chemistry期刊委托，多位長期深耕碳點與碳基功能材料研究的學者：吉林大學楊柏教授、鄭州大學盧思宇教授、北京師范大學范樓珍教授、北京工業大學孫再成教授、蘇州大學康振輝教授、澳門大學曲松楠教授、復旦大學熊煥明教授、江南大學林恒偉教授、中南大學侯紅帥教授、安徽大學畢紅教授、中國科學院理化技術研究所葛介超教授、華南農業大學莊建樂教授、北京工業大學李鵬飛教授、安慶師范大學王柏揚博士、鄭州大學楊鑫博士等合作撰寫了題為“Carbon Dots: From Fundamentals to Frontier Applications”的綜述文章，系統總結了近二十年來碳點領域的代表性研究進展，對碳點的合成方法、結構特征、光學與電子性質調控機理以及前沿應用進行了全面而深入的評述。

在該綜述中，作者首先回顧了碳點的發展歷程與研究背景，重點梳理了不同合成策略（如自上而下法與自下而上法）對碳點尺寸、表面化學與內部結構的影響，系統比較了水熱/溶劑熱、微波、熱解、電化學等方法在碳點可控合成中的優缺點。隨后，文章圍繞碳點最受關注的發光行為，深入討論了其光致發光機制，包括量子限域效應、表面態發光、分子態發光以及雜原子摻雜與表面官能化對能級結構的調控作用，為理解不同類型碳點的發光本質提供了統一的分析框架。

在應用層面，綜述重點總結了碳點在生物成像與生物醫學、化學與生物傳感、光電與顯示器件、信息防偽以及能源與環境催化等方向的最新進展。例如，在生物醫學領域，碳點憑借其優異的水溶性與生物相容性，被廣泛用于多模態成像與診療一體化研究；在光電器件與信息防偽領域，碳點可實現高色純度、多通道發光與刺激響應，為新一代智能光電材料提供了重要候選；在能源與環境領域，碳點在光/電催化反應中展現出獨特的界面調控能力與反應活性。

在此基礎上，作者進一步總結了碳點領域當前面臨的關鍵挑戰與未來發展方向。文章指出，實現碳點結構的高度均一性與可規模化綠色制備，是推動其實際應用的前提；建立普適的“結構—光/電性質”關聯模型，是實現性能可預測與可設計的核心科學問題；同時，在復雜環境中保持碳點性能穩定性，并實現多功能協同，仍需要跨學科的深度合作與持續投入。

綜述最后強調，隨著對碳點原子級結構與發光機制認識的不斷加深，以及合成與器件工程技術的持續進步，碳點有望從實驗室研究逐步走向實際應用，在綠色能源、智能材料與生物醫學等領域發揮更加重要的作用。本綜述為碳點研究提供了系統性的參考與前瞻性的思考，對推動該領域的長期健康發展具有重要的指導意義。

詳見：Haoqiang Song+, Yi Ru+, Jingkun Yu+, Songyuan Tao+, Yan Li+, Huaxin Liu+, Yu Liu+, Huiqi Zhang+, Han Wu, Yaojia Cheng, Wenjuan Xiang, Qi Liang, Mingjun Nie, Yingying, Shurong Ding, Jiping Xiao, Yu-Xuan Ji, Xin Yang*, Jianle Zhuang*, Boyang Wang*, Pengfei Li*, Jiechao Ge*, Hong Bi*, Hongshuai Hou*, Hengwei Lin*, Huan-Ming Xiong*, Songnan Qu*, Zhenhui Kang*, Zaicheng Sun*, Louzhen Fan*, Bai Yang*, and Siyu Lu*. Carbon Dots: From Fundamentals to Frontier Applications, Sci. China Chem., 2025, doi: 10.1007/s11426-025-3195-y

來源：中國科學化學