吉林大学杨柏教授Angew：最新突破！碳化聚合物点的荧光原来是这么来的

摘要：“结构决定性质”，对于材料领域的研究来说，材料结构与性质之间的构效关系永远是重中之重。然而，碳化聚合物点的荧光中心结构却一度困扰着研究人员。有研究表明，碳化聚合物点的荧光可能来源于分子态荧光中心，但该理论往往只能解释单一波长的荧光，对于碳化聚合物点常见的荧光

“结构决定性质”，对于材料领域的研究来说，材料结构与性质之间的构效关系永远是重中之重。然而，碳化聚合物点的荧光中心结构却一度困扰着研究人员。有研究表明，碳化聚合物点的荧光可能来源于分子态荧光中心，但该理论往往只能解释单一波长的荧光，对于碳化聚合物点常见的荧光激发依赖性仍难以给出全面、精准的解释。

吉林大学杨柏教授团队的最新研究为这个问题带来了答案，研究成果以“Unveiling the Photoluminescence Mechanism of Carbonized Polymer Dots: Evolution and Synergistic Photoluminescence of Multiple Molecular Fluorophores”为题，于2024年12月24日在《Angewandte Chemie International Edition》上发表。

他们从经典的柠檬酸-乙二胺体系入手，在已知的分子态荧光中心IPCA的基础上，进一步分离出了第二种分子态荧光中心IATO。这还是首次在不改变合成条件的前提下，于一种碳化聚合物点中分离出第二种分子态荧光中心。通过对比吸收光谱和荧光光谱，研究人员确认了IATO正是之前所称的“碳核态”的主要成分。考虑到IATO和IPCA在结构和荧光波长上的差异，研究人员敏锐地意识到IATO可能是由IPCA进一步演化形成的。果然，进一步的实验验证表明，IATO正是由IPCA通过氧化偶联等步骤转化而来的，且这一过程符合经典的量子尺寸效应！

图1.IATO的表征与形成机理

此外，研究发现柠檬酸-乙二胺碳化聚合物点的荧光波长主要分布在三个波段，其中前两个较短的波段已经被确认分别来自IPCA和IATO，而第三个波段的荧光也被证明来自IATO进一步演变形成的第三种分子态荧光中心！因此，柠檬酸-乙二胺碳化聚合物点的荧光是由一系列分子态荧光中心共同贡献的，这些荧光中心经历了复杂的演变过程，其共轭结构与荧光波长逐渐增大，从而展现出碳化聚合物点的荧光激发依赖性。

图2.柠檬酸-乙二胺碳化聚合物点的荧光归属

这一发现对碳化聚合物点的可控合成具有重大意义。过去，研究人员主要通过改变原料或溶剂来调节碳化聚合物点的荧光波长。而现在，分子态荧光中心的演变告诉我们，即使不改变原料和溶剂，也可以通过推动分子态荧光中心的演变过程，实现对碳化聚合物点荧光波长的调控。为了验证这个新思路，杨柏团队还选择了聚乙烯醇-乙二胺碳化聚合物点和聚乙烯亚胺-柠檬酸碳化聚合物点，通过向原料中添加少量过氧化氢作为氧化剂，促进其中的分子态荧光中心发生演变，成功地调控了它们的荧光性质。研究还给出了可能的结构变化，并进行了一些结构验证，证明了分子态荧光中心的演变不仅存在于柠檬酸-乙二胺体系中，在其他碳化聚合物点体系中同样适用！