高光致发光特性的RGB-碳点及其在发光二极管和发光太阳能聚光器中的集成应用

《Aggregate》：Highly Photoluminescent RGB-Carbon Dots and Their Integration Applications in Light-Emitting Diodes and Luminescent Solar Concentrators

碳点（CDs）的合成及其光物理机制与应用研究。通过调控o-苯二甲酰肼与植酸比例，制备了量子产率达68.7%（绿）、60.3%（红）和19.0%（蓝）的RGB-CDs，其发光机制经FTIR、XPS及DFT计算证实源于分子态（5,14-二氢喹啉酮苯并咪唑）、碳核态和异原子团簇通过空间相互作用（TSIs）的簇发光。基于高光学性能的RGB-CDs，成功开发了CRI≥98的白光LED和光电转换效率1.6%的光热转换器，并集成自供电照明系统，实现单日充电6小时持续照明。

　　碳纳米材料以其独特的物理化学性质和广泛的应用前景，近年来成为研究热点。其中，碳点（Carbon Dots, CDs）作为一种零维碳纳米材料，因其尺寸小、表面功能化能力强、光学性能优异等特性，被广泛应用于光电子器件领域。尽管如此，CDs的合成仍面临诸多挑战，尤其是在实现多色发射、高量子产率（Quantum Yield, QY）以及理解其发光机制方面。为了解决这些问题，研究者们不断探索新的合成策略和表征手段，以期能够更有效地调控CDs的结构和性能。

本研究中，通过精确调控邻苯二胺（o-phenylenediamine, o-PD）与植酸（phytic acid, PA）的比例，成功合成了具有红、绿、蓝三色发光能力的碳点（RGB-CDs）。实验结果表明，这些RGB-CDs的量子产率分别达到了60.3%、68.7%和19.0%，显示出优异的发光性能。进一步的实验数据与密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算表明，RGB-CDs的发光来源于三种不同的机制：分子态（5,14-二氢喹喔啉并[2,3-b]菲嗪，DHQP）、碳核态以及通过空间相互作用（Through-Space Interactions, TSIs）诱导的簇发光（Clusteroluminescence, CL）。这一发现不仅揭示了不同发光颜色的成因，也为进一步设计和优化CDs在光电子器件中的应用提供了理论依据。

在光电子器件的实际应用方面，RGB-CDs被用于构建白光发光二极管（White Light Emitting Diodes, WLEDs）和荧光太阳能收集器（Luminescent Solar Concentrators, LSCs）。WLEDs的色渲染指数（Color Rendering Index, CRI）高达98，这表明其能够提供接近自然光的色彩表现，适用于室内照明、摄影、生物医学等场景。同时，LSCs的功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）达到了1.6%，展示了其在提高传统光伏电池（Photovoltaic Cells, PVs）光捕获能力方面的潜力。此外，研究团队还构建了一个自供电照明系统，该系统结合了WLEDs和LSCs，能够在一天的光照后为0.1 W的WLED提供约6小时的持续照明，展现了CDs在可持续能源领域的应用价值。

在合成过程中，采用了一种溶热法，通过调整o-PD与PA的比例，实现了对CDs结构和发光特性的精确调控。具体而言，B-CDs、G-CDs和R-CDs的合成比例分别为14:1、3:1和0.3:1。这种比例的差异直接影响了CDs的化学组成和结构特征。例如，B-CDs由于含有较多的磷和氮基团，表现出较强的通过空间相互作用的发光特性；而G-CDs的发光主要来源于碳核态，其量子产率较高；R-CDs则由于富含DHQP分子，其发光波长较长，且具有较高的量子产率。

为了进一步探究CDs的结构与发光之间的关系，研究团队采用了多种表征手段，包括透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）、原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）、X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）、拉曼光谱（Raman Spectroscopy）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR）以及核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）和X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）。这些技术不仅揭示了CDs的形貌和晶体结构，还帮助确定了其表面化学组成和功能化程度。例如，B-CDs的XRD图谱显示出宽泛的衍射峰，这可能与磷和氧原子之间的空间相互作用有关；而R-CDs的拉曼光谱则显示出较高的石墨化程度，表明其结构更加稳定和有序。

在光物理性质方面，研究团队利用紫外-可见吸收光谱（UV-Vis Absorption Spectroscopy）、光致发光光谱（Photoluminescence Spectroscopy）和时间分辨光致发光光谱（Time-Resolved Photoluminescence, TRPL）等手段，对RGB-CDs的发光行为进行了系统分析。结果显示，B-CDs的发光主要来源于簇发光，其光谱呈现出与激发波长相关的发射特性（Excitation-Dependent Emission, EDE），而G-CDs和R-CDs则表现出与激发波长无关的发射特性（Excitation-Independent Emission, EIE）。这表明，G-CDs的发光主要来源于碳核态，而R-CDs的发光则与表面接枝的DHQP分子密切相关。此外，TRPL实验进一步揭示了不同CDs的发光寿命差异，其中B-CDs的寿命最长，这与其丰富的异原子基团有关，而G-CDs和R-CDs的较短寿命则与其较高的光子发射效率相一致。

为了验证上述发光机制，研究团队还进行了理论计算。通过DFT计算，明确了不同CDs的发光中心及其对应的电子跃迁类型。例如，B-CDs的发光机制与通过空间相互作用的簇发光（CL）密切相关，而G-CDs的发光则主要由碳核态的(π, π*)电子跃迁驱动。R-CDs的发光则来源于表面接枝的DHQP分子，其(π, π*)跃迁与实验结果高度吻合。这些理论计算不仅为实验结果提供了支持，也为进一步优化CDs的合成条件和发光性能提供了指导。

在实际应用方面，RGB-CDs被成功应用于白光LED和荧光太阳能收集器的制备。对于WLEDs，研究团队利用B-CDs的EDE特性，通过调节其含量，实现了冷白光、日光白光和暖白光的调控，从而拓展了LED在不同环境下的适用性。同时，G-CDs和R-CDs因其较高的量子产率，被用于构建串联的LSCs，显著提升了其光捕获和能量转换效率。此外，研究团队还开发了一个自供电照明系统，该系统结合了WLEDs和LSCs，实现了在光照后为低功耗LED提供持续照明的功能，这在节能环保方面具有重要意义。

本研究的成果不仅为CDs的合成与发光机制提供了新的思路，也为光电子器件的发展提供了高效的磷光材料。通过精确调控前驱体比例，研究团队实现了对CDs发光性能的全面优化，为未来在照明、能源转换和环境监测等领域的应用奠定了基础。此外，研究中采用的溶热法和表征手段也为其他碳纳米材料的制备提供了参考。总的来说，本研究展示了CDs在光电子领域的巨大潜力，并为实现高效、可持续的光电子器件提供了新的方向。