我国煤炭资源丰富、分布广泛，长期以来，煤炭成为很多资源依赖型地区经济发展的支柱。但目前来看，煤炭仍然主要被用作燃料或炼焦原料，其深加工与功能化是解决目前煤炭应用瓶颈的重要途径。而碳点作为一种新兴的纳米碳质材料，具有良好的生物相容性、元素无毒及可调节的荧光发射、优异的能量存储与转移等多种独特性能，在生物成像、化学传感、太阳能转化等众多领域表现出了巨大的应用前景。由于煤炭中含有大量的石墨结构微晶与稠环芳环团簇，加之其储量大、价格低廉，因此煤及其衍生物是制备碳点的理想材料。

近日，中北大学胡胜亮教授课题组总结了近年来煤基碳点的研究进展，在《新型炭材料》上发表最新综述“A review on the preparation and applications of coal-based fluorescent carbon dots”。该综述就煤基碳点的制备方法及其优缺点进行了总结，分析了煤及其衍生物种类与制备条件等对荧光碳点产物性能的影响；概述了煤基碳点及其复合体特性，以及其在化学检测、生物成像、光催化等方面的应用；重点总结了煤基碳点对构筑异质结构性能的影响。该综述提供了煤基碳点制备与应用的重要信息，为煤炭综合利用提供了一种经济且可持续的选择。

图1. 煤基碳点的制备方法与应用

从煤中剥离碳点需要将密集分布在石墨结构微晶与稠环芳环团簇周围的碳氧键等连接打开，同时破坏层间作用力，从而将sp²碳域破碎为10 nm以下的微小结构。文中详细总结了常用的化学、电化学与物理方法。化学方法主要采用酸蚀、H₂O₂氧化、臭氧氧化等，一般通过直接溶液反应或水热反应法进行，其中室温下的甲酸/ H₂O₂ 刻蚀氧化法产率可达到49%，是一种简单快捷的煤基碳点制备方法。电化学方法通过阴离子的插层作用与活性基团的攻击来破坏煤炭电极的石墨域，控制电流密度与电解质种类可调控所得碳点的性能特征。物理方法通过高能的激光烧蚀、超声破碎、超临界流体等实现碳点的剥离，速度虽快但耗能高，且对设备条件要求高。除此之外，煤及衍生物的种类、制备条件的选择、前处理过程等也会影响碳点的综合性能。

煤基碳点具有宽光谱范围与可调节的荧光，可实现pH等化学条件与多种金属离子的浓度检测，应用于荧光薄膜与白光LEDs的制备，同时由于其毒性小、与生物相容性高，可实现体外组织与生物体内成像。此外，煤基碳点也可以经N、S、P等杂化或与其他物质复合后应用于光催化、电催化、电化学器件等领域。其中，与半导体纳米材料复合得到的异质结构可以调控带隙，提高复合物的光谱吸收率及载流子的产生与转移效率，还将促进有效活性物质的产生，从而极大地提升碳点的光催化能力。因此，异质结构的构筑成为提升碳点的光催化能力的重要途径。

图2 碳点复合材料CDs@Ag₃PO₄与Cu₂O-CDs-Cu的表征与功能

最后，该综述对煤基碳点的规模化制备、荧光与催化机理的深入探究及在其他领域的应用提出了展望。

文章信息  New Carbon Materials

CAI Ting-ting, LIU Bin, PANG Er-nan, REN Wei-jie, LI Shi-jia, HU Sheng-liang. A review on the preparation and applications of coal-based fluorescent carbon dots. New Carbon Materials, 2020, 35(6): 646-666.

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通讯作者简介：

胡胜亮，2008年3月毕业于天津大学。现任中北大学 教授、博士生导师，能源动力工程学院副院长、学科方向带头人。先后入选了“山西省三晋英才”、“山西省模范教师”、“山西省师德楷模”、“山西省高校中青年拔尖创新人才”、 “山西省青年三晋学者”、 “山西省学术技术带头人”、“山西省131中青年拔尖创新人才”、“山西省高校优秀青年学术带头人”等计划或称号。作为负责人先后主持国家自然科学基金4项，省部级重点研发及基金、优秀人才项目近20项，山西省教学改革项目2项；在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.、Small、Appl. Catal. B、Chem. Eng. J.、Carbon等发表SCI高水平学术论文80多篇，获国家授权发明专利20余项；排名1获山西省自然科学二等奖3项、山西省优秀论文1篇、山西省教学成果二等奖1项。兼任山西省青年侨联副主席、委员，国际期刊“Current material science”、“测试技术学报”等期刊编委。