我所提出碳點傳感材料自組裝摻雜功能化策略

近日，我所儀器分析化學研究室化學傳感器研究組（106組）馮亮研究員、王昱副研究員團隊在碳點傳感材料的功能化研究方面取得新進展，提出了利用自組裝摻雜法實現碳點傳感材料定向功能化的新策略。該方法解決了傳統碳點傳感材料由于缺乏精細結構所導致的定向功能化效果差的關鍵科學問題，并實現了室溫條件下對不同氣體的選擇性吸附與脫附，為基于自組裝碳點氣體傳感材料的可控設計與制備奠定了理論基礎。

碳點因其獨特的性質而在化學傳感領域備受關注，碳點傳感材料的功能化一直是研究的熱點。由于對碳點形成機制及相關精細結構的了解不足，傳統碳點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，屬于典型的“黑箱反應”，存在多種如酯化反應、脫水反應、氧化反應等副反應，導致產物碳點傳感材料的結構中出現大量的副反應衍生化結構與殘留的前驅物分子，致使功能化位點缺失或占比較少，嚴重制約了碳點傳感材料在現實中的應用。

針對這一難題，該團隊提出氣流輔助的熔融態聚合（airflow-assisted melt polymerization, AMP）結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法通過抑制副反應解決了傳統碳點材料結構復雜不清的問題；另一方面，利用二甲基亞砜（DMSO）獨特的氫鍵受體性質，使產物碳點能夠解組裝并與摻雜物通過不同的分子間作用力相結合，再利用水分子調控系統的氫鍵結構與疏水性實現室溫條件下的自組裝摻雜，避免了一鍋法中由于各類副反應導致的功能性位點缺失或不足等問題。團隊基于該策略制備的Fe(III)摻雜碳點材料電荷分離效率相比傳統摻雜方法提升3至10倍。此外，團隊在Cu(II)摻雜碳點中觀察到了高效率選擇性的氨氣吸附與脫附現象，相同質量及實驗條件下，Cu(II)摻雜碳點的氨吸附重量比氯化銅高一倍，并在5次吸附-脫附循環后依舊保持穩定。上述工作為碳點功能化材料的實際應用提供了全新的思路，并為基于碳點傳感材料的高靈敏度原位監測型氣體傳感器的開發奠定了基礎。

該團隊一直致力于基于碳點功能化氣敏傳感材料的可控設計與制備，取得了一系列進展（Chem-Euro. J，2015；Nanoscale，2016；J. Phys. Chem.Lett.，2020；Adv. Funct. Mater.，2024）。

相關成果以" The Synthesis of Functionalized Carbonized Polymer Dots via Reversible Assembly of Oligomers for Anti-counterfeiting, Catalysis, and Gas storage "為題，發表在《先進科學》（Advanced Science）上，該工作的第一作者是王昱。上述工作得到了國家自然科學基金、中國科學院青促會、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 王昱）

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202405043