我所提出碳点传感材料自组装掺杂功能化策略

近日，我所仪器分析化学研究室化学传感器研究组（106组）冯亮研究员、王昱副研究员团队在碳点传感材料的功能化研究方面取得新进展，提出了利用自组装掺杂法实现碳点传感材料定向功能化的新策略。该方法解决了传统碳点传感材料由于缺乏精细结构所导致的定向功能化效果差的关键科学问题，并实现了室温条件下对不同气体的选择性吸附与脱附，为基于自组装碳点气体传感材料的可控设计与制备奠定了理论基础。

碳点因其独特的性质而在化学传感领域备受关注，碳点传感材料的功能化一直是研究的热点。由于对碳点形成机制及相关精细结构的了解不足，传统碳点传感材料的功能化方法多是采用一锅掺杂法引入功能性位点，属于典型的“黑箱反应”，存在多种如酯化反应、脱水反应、氧化反应等副反应，导致产物碳点传感材料的结构中出现大量的副反应衍生化结构与残留的前驱物分子，致使功能化位点缺失或占比较少，严重制约了碳点传感材料在现实中的应用。

针对这一难题，该团队提出气流辅助的熔融态聚合（airflow-assisted melt polymerization, AMP）结合一步反相共沉淀的解组装-组装的合成掺杂新策略。一方面，AMP法通过抑制副反应解决了传统碳点材料结构复杂不清的问题；另一方面，利用二甲基亚砜（DMSO）独特的氢键受体性质，使产物碳点能够解组装并与掺杂物通过不同的分子间作用力相结合，再利用水分子调控系统的氢键结构与疏水性实现室温条件下的自组装掺杂，避免了一锅法中由于各类副反应导致的功能性位点缺失或不足等问题。团队基于该策略制备的Fe(III)掺杂碳点材料电荷分离效率相比传统掺杂方法提升3至10倍。此外，团队在Cu(II)掺杂碳点中观察到了高效率选择性的氨气吸附与脱附现象，相同质量及实验条件下，Cu(II)掺杂碳点的氨吸附重量比氯化铜高一倍，并在5次吸附-脱附循环后依旧保持稳定。上述工作为碳点功能化材料的实际应用提供了全新的思路，并为基于碳点传感材料的高灵敏度原位监测型气体传感器的开发奠定了基础。

该团队一直致力于基于碳点功能化气敏传感材料的可控设计与制备，取得了一系列进展（Chem-Euro. J，2015；Nanoscale，2016；J. Phys. Chem.Lett.，2020；Adv. Funct. Mater.，2024）。

相关成果以" The Synthesis of Functionalized Carbonized Polymer Dots via Reversible Assembly of Oligomers for Anti-counterfeiting, Catalysis, and Gas storage "为题，发表在《先进科学》（Advanced Science）上，该工作的第一作者是王昱。上述工作得到了国家自然科学基金、中国科学院青促会、我所创新基金等项目的资助。（文/图 王昱）

文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202405043