封伟：长寿命室温磷光氟氮双掺杂碳量子点方面取得重要进展

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发光隐形材料，特别是室温磷光材料，具有长发光寿命和独特的单线态-三线态跃迁等优异特征，且其磷光发射可以消除短寿命的荧光和光散射背景，能起到非常显著的加密效果，是光子加密信息的重要载体。其在信息安全领域广泛应用，具有非常高的经济价值，因而引起了科学家的极大研究兴趣。

室温磷光碳量子点具有高光稳定性、低毒性、生物相容性好、低能耗的制备过程等优势，使其在高信息安全领域具有非常潜在的应用价值。特别是自保护的室温磷光碳量子点有以下几点优势：1、无需考虑基质辅助的氧隔离层就可以实现室温下高效磷光发射；2、外界刺激可以直接作用于裸露的碳量子点，有利于设计具有外界刺激响应性的磷光传感器；3、可以通过喷墨打印技术实现复杂的图案设计；4、磷光性能可以实现时间维度和空间维度的高安全信息保护。但是目前报道的绝大多数基于碳量子点的室温磷光材料中，需将碳量子点嵌入到基质中才能获得室温磷光发射现象。如何实现碳量子点的自保护磷光性能仍然存在巨大挑战。

近日，天津大学材料学院封伟团队采用一步水热法制备了具有自保护超长室温磷光性能的氟氮双掺杂碳量子点（FNCDs）。在双溶剂体系（N’N-二甲基甲酰胺/乙腈）的水热法过程中，碳源在高温下被碳化和成核的同时，氮元素和氟元素同步掺杂进入FNCDs中。当双溶剂体系中的溶剂体积比为1:1时，氟含量和氮含量分别达到了7.29At%和14.13At%。且FNCDs中含有大量的氨基和半离子型C-F键，因而具有很好的水溶性。FNCDs中大量的共轭C-N/C=N结构具有减低的单线态-三线态能带隙，促进第一单线态（S1）到第一三线态（T1）的系间转移。无需任何氧气隔离处理，FNCDs只需涂在滤纸上即可产生自保护室温磷光性能，其中磷光寿命高达1.21s。FNCDs表现出优异的荧光pH稳定性和自保护室温磷光pH响应性。用氟氮双掺杂碳量子点的水分散液制备的墨水可以通过商业喷墨打印机将设计的复杂图案、文字等加密信息打印在滤纸上，待其干燥后在紫外灯下发射出强烈的固态蓝色荧光，移去紫外灯后会发射出自保护绿色磷光。最后，基于氟氮双掺杂碳量子点隐形墨水被成功应用于信息记录/读取、防伪和隐写术领域。

该工作于2018年7月25日以“Self-protective Room-Temperature Phosphorescence of Fluorine and Nitrogen Co-doped Carbon Dots”为题发表在Advanced Functional Materials上。

该研究表面FNCDs中大量的共轭C-N/C=N结构具有减低的单线态-三线态能带隙，促进第一单线态（S1）到第一三线态（T1）的系间转移。无需任何氧气隔离处理，FNCDs只需涂在滤纸上即可产生自保护室温磷光，主要归因于FNCDs表面的C-F键与氨基形成量子点间和量子点内氢键（N-H•••F），阻止了氧分子的渗透的同时还稳定了量子点本身的振动，因此产生了自保护室温磷光发射。这种双元素共掺杂技术为室温磷光材料的设计和应用提供了新思路。

致谢：

天津大学材料学院龙鹏博士为该论文的第一作者，封伟教授为通讯作者。本论文的工作得到国家重点研发项目（2016YFA0202302）、国家自然科学基金（51573125、51573147）、国家杰出青年基金（51425306）、国家自然科学基金国家重点项目（51633007）等的资助，

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201800791

团队介绍

天津大学封伟团队长期致力于氟化碳纳米材料的开发，近年来在氟化碳纳米管（Chem. Eng. J., 2018,349 756; J. Power Sources, 2011, 196,2246;Electrochim. Acta, 2013, 107, 343）、氟化石墨烯（Adv. Sci., 2016,1500413; Chem. Commun., 2018, 54, 2727;J.Mater. Chem. C, 2018, 6, 6378; Carbon, 2017, 116, 338; J. Power Sources, 2016, 312, 146; Nanoscale, 2014,6, 2634; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 23095）和氟化碳量子点（Adv. Funct. Mater.,2018, ; ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 43, 37981; RSC Adv., 2017, 7, 2810; Nanoscale, 2014, 6, 13043）等材料的研究和设计上取得了一系列的原创性成果。