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北京理工大学孙剑教授:综述-离子液体中生物质衍生碳点的合成、改性及应用

已有 473 次阅读 2021-5-29 18:40 |个人分类:精选文章|系统分类:论文交流

北京理工大学孙剑教授:综述-离子液体中生物质衍生碳点的合成、改性及应用


研究导读

碳点作为一种零维纳米材料,具有水溶性好、光学性能好、毒性小、易于表面钝化和功能化等优点,近年来在绿色化学和工程领域引起了广泛的关注。但是,碳点难以大规模制备、量子产率低等问题限制其应用。因此,以价格低廉的生物质及其衍生物为原料制备碳点,利用离子液体强化碳点形成过程和改性碳点表面性质及元素组成,对于实现低成本制备和碳点性能改性具有重要意义

近期,北京理工大学绿色生物制造课题组孙剑教授等在Green Chemical EngineeringGreenChE上发表了题为“Synthesis and modification of biomass derived carbon dots in ionic liquids and their application: A mini review”的综述文章(https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.010),总结了离子液体ILs中生物质基碳点CDs的合成、改性以及应用的最新研究进展,并对这一领域的发展方向进行了展望。

内容概述

文章论述了ILs在三种生物质原料(来自生物质的小分子,生物质组分,天然生物质)制备碳点中的强化作用,主要从尺寸调控、表面改性和元素掺杂三个方面介绍,并且总结了其在绿色催化、传感、印刷、缓蚀剂等方面的应用(图1)。

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Fig.1. Schematic illustration of ILs based synthesis and application of biomass derived CDs.

CDs制备过程中:如图2所示,ILs在三种生物质为原料合成CDs中表现出溶剂化和钝化剂的作用,但仍存在一些差异。在以来自生物质中的小分子为原料时,ILs主要起到表面改性和元素掺杂的作用。对于纤维素、半纤维素和木质素等生物质组分,ILs通常作为溶剂,以提高制备效率。此外,酸性ILs能够提供酸解环境,加速CDs的合成。对于天然生物质为原料,由于其具有复杂的结构和强顽拗性,ILs的一个重要作用就是从生物质中分离出主要成分。

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Fig.2. Synthesis of biomass derived CDs in ionic liquids. a.Carbon, 130(2018), pp.544-552. b. J.Mater. Sci.,51(2016), pp.861-867. c. Bioresour. Technol.,305(2020), p.123043.


CDs改性过程中:ILs由于其良好的溶解性、稳定性和结构设计性,在生物质CDs的改性中发挥着多种作用,主要表现为:①ILs由于离子表面能和静电斥力较低,能够减少CDs的团聚,从而促进CDs粒径小、分布窄的形成;②ILs基团的表面修饰可以稳定CDs的表面缺陷,从而提高CDs的荧光性能;③ILs还可以作为氮源参与CDs的合成,有效地提高其量子产率;④ILs强化的CDs具有离子交换能力,可以将CDs的亲水性调节为疏水性。

CDs应用中:ILs强化的生物质基CDs可应用于传感、绿色催化、电催化、印刷、缓蚀剂和HPLC固定相的功能材料等方向。

总结与展望

本工作总结了生物质及其衍生物作为原料,ILs强化CDs制备过程的相关研究工作,论证了ILsCDs的尺寸控制、表面改性和结构掺杂等方面的作用。ILsCDs的结合有望为功能性碳基纳米材料的设计和构建创造更多的机遇。

文章信息

Title:Synthesis and modification of biomass derived carbon dots in ionic liquids and their application: A mini review


Authors:Yumeng Wang, Jian Sun*, Bin He, Mi Feng


DOI:doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.010

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原文链接: https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.010

通讯作者简介

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孙剑,博士,北京理工大学教授,博士生导师,绿色生物制造课题组组长。2009年获得中国科学院研究生院工学博士学位,师从张锁江院士。现任中国化工学会离子液体专业委员会委员,中国膜工业协会医药生物用膜技术委员会委员,第二届中国纤维素行业协会技术委员会委员,Chinese J. Chem. Eng. Green Chem. Eng. 青年编委等。主持多项国家级科学基金项目,参与973863、支撑计划等重大项目。长期从事离子液体绿色过程研究,在Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Green Chem., ChemSusChem, Chem. Commun., ACS Sustainable Chem. Eng., Carbohyd. Polym., Biotechnol. Biofuels, I&ECR 等国际顶级或重要期刊发表 SCI论文近60篇,申请国家发明专利30余项,其中获得授权中国发明专利21项、美国专利2项、日本专利1项,获省部级奖励2项。参与完成万吨级EG/DMC工业化示范项目1个。课题组主要研究方向是基于离子液体、纳米材料等功能介质的创新,发展可再生碳资源分离-利用-转化新过程、新技术:包括新型功能化离子液体设计、合成及离子微环境调控,生物基功能材料合成,仿生酶或负载酶构建及其应用,化学-生物过程耦合与强化,面向CO2、生物质等可再生碳资源的光、电、热以及生物清洁催化转化等。课题组欢迎具有相关研究或专业背景的同学以及科研人员加入

期刊简介

Green Chemical EngineeringGreenChE)于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”,2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础,聚焦"绿色",立足"工程" ,注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题,紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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