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 Engineering（GreenChE）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）。

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

在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。

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.

在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。

在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ILs在CDs的尺寸控制、表面改性和结构掺杂等方面的作用。ILs与CDs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

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. 及 Green Chem. Eng. 青年编委等。主持多项国家级科学基金项目，参与973、863、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 Engineering（GreenChE）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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