碳点发展二十年——从基础研究到前沿应用

碳点（Carbon Dots，CDs）作为一类新兴的零维碳基纳米材料，自发现以来便因其可调控的光致发光性能、低毒性、生物相容性优异以及原料来源丰富等优势，迅速成为纳米材料与功能材料领域的研究热点。近年来，碳点的研究已从最初的荧光标记逐步拓展至光电器件、生物成像、化学与生物传感、信息防伪以及能源与环境催化等多个重要方向，展现出广阔的应用前景。然而，尽管碳点研究取得了大量进展，其发展仍面临若干核心科学问题与技术瓶颈：例如碳点的精确定义与分类尚存争议，其形成机制、微观结构与发光机理仍未完全厘清，不同合成路线下碳点结构高度不均一，限制了其光学与电子性质的可控调节与规模化应用。因此，系统梳理碳点领域的发展脉络、关键突破与未来挑战，对于推动该领域从“现象驱动”走向“结构—性质—功能理性设计”具有重要意义。

近期，受Science China Chemistry期刊委托，多位长期深耕碳点与碳基功能材料研究的学者：吉林大学杨柏教授、郑州大学卢思宇教授、北京师范大学范楼珍教授、北京工业大学孙再成教授、苏州大学康振辉教授、澳门大学曲松楠教授、复旦大学熊焕明教授、江南大学林恒伟教授、中南大学侯红帅教授、安徽大学毕红教授、中国科学院理化技术研究所葛介超教授、华南农业大学庄建乐教授、北京工业大学李鹏飞教授、安庆师范大学王柏扬博士、郑州大学杨鑫博士等合作撰写了题为“Carbon Dots: From Fundamentals to Frontier Applications”的综述文章，系统总结了近二十年来碳点领域的代表性研究进展，对碳点的合成方法、结构特征、光学与电子性质调控机理以及前沿应用进行了全面而深入的评述。

在该综述中，作者首先回顾了碳点的发展历程与研究背景，重点梳理了不同合成策略（如自上而下法与自下而上法）对碳点尺寸、表面化学与内部结构的影响，系统比较了水热/溶剂热、微波、热解、电化学等方法在碳点可控合成中的优缺点。随后，文章围绕碳点最受关注的发光行为，深入讨论了其光致发光机制，包括量子限域效应、表面态发光、分子态发光以及杂原子掺杂与表面官能化对能级结构的调控作用，为理解不同类型碳点的发光本质提供了统一的分析框架。

在应用层面，综述重点总结了碳点在生物成像与生物医学、化学与生物传感、光电与显示器件、信息防伪以及能源与环境催化等方向的最新进展。例如，在生物医学领域，碳点凭借其优异的水溶性与生物相容性，被广泛用于多模态成像与诊疗一体化研究；在光电器件与信息防伪领域，碳点可实现高色纯度、多通道发光与刺激响应，为新一代智能光电材料提供了重要候选；在能源与环境领域，碳点在光/电催化反应中展现出独特的界面调控能力与反应活性。

在此基础上，作者进一步总结了碳点领域当前面临的关键挑战与未来发展方向。文章指出，实现碳点结构的高度均一性与可规模化绿色制备，是推动其实际应用的前提；建立普适的“结构—光/电性质”关联模型，是实现性能可预测与可设计的核心科学问题；同时，在复杂环境中保持碳点性能稳定性，并实现多功能协同，仍需要跨学科的深度合作与持续投入。

综述最后强调，随着对碳点原子级结构与发光机制认识的不断加深，以及合成与器件工程技术的持续进步，碳点有望从实验室研究逐步走向实际应用，在绿色能源、智能材料与生物医学等领域发挥更加重要的作用。本综述为碳点研究提供了系统性的参考与前瞻性的思考，对推动该领域的长期健康发展具有重要的指导意义。

详见：Haoqiang Song+, Yi Ru+, Jingkun Yu+, Songyuan Tao+, Yan Li+, Huaxin Liu+, Yu Liu+, Huiqi Zhang+, Han Wu, Yaojia Cheng, Wenjuan Xiang, Qi Liang, Mingjun Nie, Yingying, Shurong Ding, Jiping Xiao, Yu-Xuan Ji, Xin Yang*, Jianle Zhuang*, Boyang Wang*, Pengfei Li*, Jiechao Ge*, Hong Bi*, Hongshuai Hou*, Hengwei Lin*, Huan-Ming Xiong*, Songnan Qu*, Zhenhui Kang*, Zaicheng Sun*, Louzhen Fan*, Bai Yang*, and Siyu Lu*. Carbon Dots: From Fundamentals to Frontier Applications, Sci. China Chem., 2025, doi: 10.1007/s11426-025-3195-y

来源：中国科学化学