有机废弃物源碳量子点的微结构-光学性能关联机制及其光催化应用研究

《Nano Select》：Unravelling the Microstructural Parameters to Optical Property Relations in Carbon Quantum Dots Coalesced From Two Organic Waste Precursors

本文综述了以香蕉皮(B-CQDs)和人发(H-CQDs)两种有机废弃物为前驱体，通过水热法合成碳量子点(CQDs)的研究。工作系统分析了前驱体选择对CQDs微观结构参数(晶粒尺寸、位错密度、晶格微应变)的调控作用，并首次建立了微结构特征与光学性能(光致发光PL、时间分辨荧光TRPL)之间的定量构效关系。研究发现H-CQDs因更高的缺陷密度和晶格畸变而具有更长的激子复合寿命(τavg= 3.17 ns)，在光催化降解亚甲蓝(MB)中表现出更优性能。该研究为废弃物衍生碳纳米材料的定向设计提供了理论依据和应用指导。

　　

碳量子点的合成与表征

研究采用香蕉皮(B-CQDs)和人发(H-CQDs)两种有机废弃物为前驱体，通过水热碳化法合成碳量子点。合成过程以水为溶剂，在200°C反应24小时，最终获得淡黄色至棕色的CQDs溶液。B-CQDs和H-CQDs的产率分别为2.25%和1.95%，整个过程无需有机溶剂或危险试剂，体现了绿色合成的特点。

光学带隙与Urbach能量分析

通过Tauc图谱计算光学带隙，B-CQDs为3.31 eV，而H-CQDs呈现双吸收边(2.67 eV和2.98 eV)，表明其存在电子异质性。Urbach能量分析显示H-CQDs的E_u值(0.39 eV)显著高于B-CQDs(0.27 eV)，提示H-CQDs具有更高的结构无序度。

微观结构参数定量解析

X射线衍射(XRD)分析表明两种CQDs均以非晶态为主。通过Scherrer方程计算晶粒尺寸，B-CQDs为(3.84±0.15) nm，大于H-CQDs的(2.51±0.12) nm。位错密度计算结果显示H-CQDs(0.158 nm^-2)高于B-CQDs(0.067 nm^-2)，证实前者具有更多晶格缺陷。

采用Williamson-Hall(W-H)绘图和Halder-Wagner-Langford(HWL)方法进一步量化晶格微应变。H-CQDs的微应变值(ε = 9.74×10^-3)显著高于B-CQDs(ε = 5.12×10^-3)，这与前者的高缺陷密度相一致。结晶度指数计算表明B-CQDs(4.08%)高于H-CQDs(1.98%)，而畸变度分析显示H-CQDs(R = 1.5587)大于B-CQDs(R = 1.1153)。

微观形貌与结构验证

高分辨透射电镜(HR-TEM)显示B-CQDs的平均粒径为3.5 nm，H-CQDs为2.8 nm。选取区域电子衍射(SAED)图谱分析表明B-CQDs的衍射环更明锐(半高宽FWHM = 2.8 nm^-1)，而H-CQDs的衍射环更宽化(FWHM = 3.9 nm^-1)，进一步验证了其更高的无序度。径向分布函数g(r)分析显示H-CQDs存在更强的波动起伏，表明其具有更大的尺寸多分散性。

光学性能与激子动力学

紫外-可见吸收光谱显示B-CQDs和H-CQDs的吸收边分别为450 nm和516 nm。光致发光(PL)光谱表明B-CQDs的最大发射波长为463 nm，H-CQDs为523 nm，两者均表现出约10 nm的小斯托克斯位移，提示激发态能量损失较小。

时间分辨光致发光(TRPL)测试揭示了激子复合动力学的显著差异。B-CQDs的平均寿命(τ_avg= 2.03 ns)短于H-CQDs(τ_avg= 3.17 ns)。双指数拟合分析显示，H-CQDs具有更长的辐射复合寿命(T2 = 7.76 ns)和非辐射复合寿命(T1 = 1.79 ns)。这种寿命延长归因于H-CQDs中更高的缺陷密度形成的载流子陷阱效应，延缓了激子复合过程。

光催化性能评估

在可见光照射下，两种CQDs均能有效降解亚甲蓝(MB)。H-CQDs表现出更优的光催化效率，这与其中等缺陷密度延长了光生载流子寿命密切相关。研究还发现，无催化剂存在时光降解可忽略不计，证实了CQDs的光催化作用本质。

构效关系与机制阐释

研究建立了前驱体-微结构-光学性能之间的内在联系：人发前驱体富含氮、硫杂原子，在碳化过程中引入更多晶格畸变和缺陷态，虽然降低了结晶度，但创造了有利于光生电荷分离的陷阱态，最终延长了激子寿命并增强了光催化活性。相比之下，香蕉皮前驱体主要含多糖和纤维素，易于形成有序度更高的sp²碳网络，导致更快的激子复合和不同的光学特性。

研究价值与展望

该工作首次系统量化了废弃物衍生CQDs的微观结构参数，并建立了其与光物理性能的定量关系。提出的微结构调控策略为定向设计CQDs材料提供了新思路，特别是在光催化、生物成像等需要长激子寿命的应用领域具有指导意义。未来可进一步探索不同废弃物前驱体对CQDs电子结构的精确调控机制。