近日，我所儀器分析化學(xué)研究室化學(xué)傳感器研究組（106組）馮亮研究員、王昱副研究員團(tuán)隊(duì)在碳點(diǎn)傳感材料的功能化研究方面取得新進(jìn)展，提出了利用自組裝摻雜法實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)傳感材料定向功能化的新策略。該方法解決了傳統(tǒng)碳點(diǎn)傳感材料由于缺乏精細(xì)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的定向功能化效果差的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了室溫條件下對(duì)不同氣體的選擇性吸附與脫附，為基于自組裝碳點(diǎn)氣體傳感材料的可控設(shè)計(jì)與制備奠定了理論基礎(chǔ)。
碳點(diǎn)因其獨(dú)特的性質(zhì)而在化學(xué)傳感領(lǐng)域備受關(guān)注，碳點(diǎn)傳感材料的功能化一直是研究的熱點(diǎn)。由于對(duì)碳點(diǎn)形成機(jī)制及相關(guān)精細(xì)結(jié)構(gòu)的了解不足，傳統(tǒng)碳點(diǎn)傳感材料的功能化方法多是采用一鍋摻雜法引入功能性位點(diǎn)，屬于典型的“黑箱反應(yīng)”，存在多種如酯化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、氧化反應(yīng)等副反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)物碳點(diǎn)傳感材料的結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大量的副反應(yīng)衍生化結(jié)構(gòu)與殘留的前驅(qū)物分子，致使功能化位點(diǎn)缺失或占比較少，嚴(yán)重制約了碳點(diǎn)傳感材料在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。
針對(duì)這一難題，該團(tuán)隊(duì)提出氣流輔助的熔融態(tài)聚合（airflow-assisted melt polymerization, AMP）結(jié)合一步反相共沉淀的解組裝-組裝的合成摻雜新策略。一方面，AMP法通過(guò)抑制副反應(yīng)解決了傳統(tǒng)碳點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜不清的問(wèn)題；另一方面，利用二甲基亞砜（DMSO）獨(dú)特的氫鍵受體性質(zhì)，使產(chǎn)物碳點(diǎn)能夠解組裝并與摻雜物通過(guò)不同的分子間作用力相結(jié)合，再利用水分子調(diào)控系統(tǒng)的氫鍵結(jié)構(gòu)與疏水性實(shí)現(xiàn)室溫條件下的自組裝摻雜，避免了一鍋法中由于各類(lèi)副反應(yīng)導(dǎo)致的功能性位點(diǎn)缺失或不足等問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)基于該策略制備的Fe(III)摻雜碳點(diǎn)材料電荷分離效率相比傳統(tǒng)摻雜方法提升3至10倍。此外，團(tuán)隊(duì)在Cu(II)摻雜碳點(diǎn)中觀察到了高效率選擇性的氨氣吸附與脫附現(xiàn)象，相同質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)條件下，Cu(II)摻雜碳點(diǎn)的氨吸附重量比氯化銅高一倍，并在5次吸附-脫附循環(huán)后依舊保持穩(wěn)定。上述工作為碳點(diǎn)功能化材料的實(shí)際應(yīng)用提供了全新的思路，并為基于碳點(diǎn)傳感材料的高靈敏度原位監(jiān)測(cè)型氣體傳感器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
該團(tuán)隊(duì)一直致力于基于碳點(diǎn)功能化氣敏傳感材料的可控設(shè)計(jì)與制備，取得了一系列進(jìn)展（Chem-Euro. J，2015；Nanoscale，2016；J. Phys. Chem.Lett.，2020；Adv. Funct. Mater.，2024）。
相關(guān)成果以" The Synthesis of Functionalized Carbonized Polymer Dots via Reversible Assembly of Oligomers for Anti-counterfeiting, Catalysis, and Gas storage "為題，發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上，該工作的第一作者是王昱。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。（文/圖 王昱）
