木質素基碳點和石墨烯量子點制備方法研究進展

王瑞彬，周雪蓮，徐婷婷，卞輝洋，戴紅旗

(南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，南京林業大學江蘇省林業資源高效加工利用協同創新中心，南京 210037)

碳點(carbon dots, CDs)[1]是一類三維尺寸均小于10 nm的零維半導體碳納米材料，其本質為由少量碳、氫、氧和其他元素的分子或原子所組成的納米團簇。而石墨烯量子點(graphene quantum dots, GQDs)[2]屬于CDs的一種，但其結構更接近石墨烯的片段[3]，因此既具有CDs的優點，又能夠表現出石墨烯的特性。相比于傳統的半導體重金屬量子點(硫化鉛和含鎘化合物等)，CDs和GQDs不僅耐化學腐蝕、環境友好、長程穩定發光、光致發光行為可調控、易化學修飾，而且具有良好的水分散性、生物相容性、生物無毒性和易加工性等，有望廣泛應用于生化指示、生物醫學、儲能、顯示器件和催化等新興領域[4-6]。

自2004年被首次得到，科學家們就對CDs研究表現出極大的興趣，該領域在近10年得到了長足的發展。目前，CDs和GQDs大多以化石燃料基化合物(如煤[7]、炭黑[8]、芘[9])或無機礦物(如石墨[10])等為前驅體，長此以往勢必會加劇溫室效應，危害生態環境。因此，尋找可再生的替代物并開發環境友好的制備工藝已成為當下CDs和GQDs研究的熱點之一。

眾所周知，木質素是自然界中最豐富的芳香天然高分子，其結構單元為一系列氧代苯丙醇或其衍生物，再通過醚鍵和碳碳鍵鏈接而成的一類網狀芳環結構無定形高聚物。正是由于這一結構特點，導致木質素難以在常規制漿造紙工藝過程中被降解，因而成為造紙工業的主要副產物和污染物來源。目前，全球范圍內造紙和生物乙醇行業每年就可產生超5×107t的木質素，其中只有不到2%被重新用于工業生產，其他均直接燃燒處理[11]。雖然木質素的含碳量遠高于其他常見天然多糖，但是其熱值較低，這樣的處理方式顯然是對資源的極大浪費，而且還會加重環境負擔。因此，基于可再生且價廉易得的木質素制備CDs和GQDs無疑將具有良好的發展前景：一是木質素的化學結構有別于其他生物質，可供選擇的加工手段更為豐富多樣；二是綜合開發木質素基GQDs的高效環保制備技術不僅有望賦予目標產物更為出色的理化性能，而且可以兼顧木質素的資源化利用，推動相關領域的可持續發展。

1 木質素的資源化利用

隨著諸如生物質燃料轉化等領域的蓬勃發展，木質素的被動生產呈現“供大于求”的狀況，因此人們希望將其資源化利用為高附加值的產品，而不僅僅是一種替煤燃料[11]。近年來，木質素的資源化利用日趨多元化，不斷涌現出大量的優秀研究成果，通過高溫(水熱)碳化[12-13]、催化解聚[14-15]、溶劑處理[16-18]和生物降解[19-20]等手段加工木質素可得到諸如功能材料、高附加值化學品和燃料等(如圖1所示)。后兩者目前主要來源于石油化工領域，通過資源化利用木質素開發相關替代產品不僅可降低成本，而且可保證其可持續性；而功能材料涉及的范圍非常廣泛，包括塑料[21]、復合材料[22]、活性炭[23]、碳纖維[24]、CDs[25-26]和GQDs[27-28]等，在諸多領域已表現出良好的應用前景。同時，這些木質素資源化利用得到的功能材料也各自面臨著一定的技術難題。如：可再生木質素基塑料的發展需要優化加工技術和改良含木質素(具有理想的理化性質)的生物能源作物；而其他材料大多存在原料來源過多，需要開發普適性的木質素分離/純化技術以保證產品性能等[11]。

由于篇幅所限，筆者在此僅對近年來國內外關于木質素基CDs和GQDs制備方法的研究成果進行綜述，以期為高性能木質素基CDs和GQDs的開發提供新的研究方法和思路。

圖1 木質素的資源化利用技術進展及成果一覽[15]Fig. 1 An overview of research progress in the valorization of lignin

2 木質素基CDs和GQDs的制備方法

目前，木質素基CDs和GQDs的研究已經初見成效，國內外學者通過不懈的努力取得了一系列重要成果。眾所周知，CDs和GQDs均屬于零維納米碳材料，尺寸均不超過10 nm且分布均勻，表面都含有豐富的官能團。正是因為這些區別于其他普通多環芳烴化合物的共性，使得CDs和GQDs的帶隙更窄且復雜，進而表現出更為優異的光致發光性能，應用前景非常巨大[29]。現有的木質素基CDs和GQDs研究多借鑒其他天然產物基CDs的相關工作，涉及微波輻射、水熱、高溫碳化、抽提或化學氧化等物理/化學處理手段[30](如圖2 所示)，大致可分為兩類：一是將木質素或木質素與其他化合物混合后進行(水熱)碳化，再輔以相應后處理得到CDs或GQDs的“一鍋法”工藝；二是對木質素進行物理/化學處理，再經由(水熱)碳化得到CDs或GQDs的“兩步法”工藝。無論是“一鍋法”工藝還是“兩步法”工藝，在制備木質素基CDs或GQDs的過程中，木質素原料都需要先經歷“自上而下”(top-down)的解聚，然后直接或在反應體系內發生“自下而上”(bottom-up)的組裝得到所需產物。

圖2 天然產物基CDs的制備工藝及其潛在應用一覽[30]Fig. 2 A review of processes and potential applications regarding to the natural product derived carbon dots

2.1 “一鍋法”工藝

“一鍋法”工藝通常從相對簡單易得的原料出發，通過多步連續反應/處理直接獲得目標產物，加工過程中無須分離中間體，因而應用較多。如Chen等[31]通過一鍋共水熱處理木質素和過氧化氫快速制備了具有優異光穩定性、生物相容性、低細胞毒性和良好水分散性的CDs，其得率最高可達12.06%。將這種CDs引入Hela細胞進行體外激光共聚焦測試，發現僅能在細胞膜和細胞質區域觀察到綠色熒光，證明該CDs有望作為生物成像和生物傳感的優良探針進行應用。Xue等[32]則對堿木質素、檸檬酸和乙二胺進行一鍋共水熱處理，得到了量子產率(參比硫酸奎寧)高達43%的CDs。進一步表征發現此CDs受375～460 nm波長光源的激發能夠在454～535 nm范圍內穩定發光(激發依賴發光)，同時具有良好的細胞相容性并可“屏蔽細胞核”實現宮頸癌細胞的多色熒光內視(如圖3所示)。另有Zhao等[33]通過1 200～1 500 ℃一鍋高溫處理氧化硼和木質素(回收自水稻秸稈蒸汽爆破制漿黑液)，得到了量子產率(參比硫酸奎寧)最高可達18.2%的氮化硼量子點，其在紫外光區能夠穩定激發出亮藍色熒光，尺寸為0.52～2.25 nm，在人乳腺癌細胞(MCF-7)中加入100 mg/mL的該量子點培養24 h后細胞存活率超過92%。該量子點可作為潛在的發光二極管和生物成像材料。此外，Niu等[34]以纖維素酶分離的木質素(來自玉米秸稈發酵制備生物乙醇)為原料，通過乙醇抽提即可通過π-π聚合作用誘導分子聚集進而制備木質素基CDs，雖然其量子產率(積分球法)僅為1.68%，但仍可激發出多色熒光，且細胞生物相容性和穿透性良好。進一步的單/雙光子細胞成像研究證明，該CDs在生物成像方面具有巨大潛力。

圖3 “一鍋法”制備木質素基CDs的流程圖及其生物成像應用探索[32]Fig. 3 Photoluminescent lignin hybridized CDs composites prepared through one-pot method

除了生物領域，“一鍋法”工藝制備的木質素基CDs或GQDs還可應用于金屬檢測、催化和儲能等領域。如Zhang等[35]借鑒前人經驗，將經歷5 min超聲預處理的堿木質素與乙二胺均勻混合進行一鍋水熱反應，得到一例可激發出亮綠色熒光的氮摻雜CDs，得率最高可達82.4%，其尺寸和量子產率(參比羅丹明6G)分別為1.5～3.5 nm和≤17.6%，同時具有出色的水分散性、生物相容性和光致發光性能。受能量和載荷子遷移的影響，金屬離子如Fe3+、Fe2+和Ag+能夠與該氮摻雜CDs上的官能團發生快速螯合，其對Ag+非常敏感，檢測閾值僅0.35 μmol/L。進一步將其與氧化石墨烯復合，可獲得低至118.6 mV/dec的Tafel斜率，能夠實現氧還原反應的高效電催化。而Xu等[36]對木質素磺酸鹽與硝酸的均勻混合物進行長時間連續超聲(12 h)制備了得率為29.5%的官能化GQDs，繼續將該GQDs與氧化石墨烯混合進行共水熱處理，得到可應用為柔性超級電容器電極的復合材料水凝膠，其最高比電容高達451.7 F/g(0.5 A/g)，而在高倍率條件下(5 A/g)，循環超過10 000次的比電容保持率為89.0%， 180°彎曲時仍可保留初始比電容的93.3% (5 A/g)，應用潛力巨大。

2.2 “兩步法”工藝

除了“一鍋法”，“兩步法”也是木質素基CDs和GQDs制備的常見選擇。顧名思義，“兩步法”工藝中木質素需要經過兩步處理，第1步是對木質素原料進行改性或解聚，這樣不僅可以促進第2步的水熱處理從而得到性能穩定尺寸均一的GQDs，而且能夠賦予產物以特定的光致發光性質。該法已成為木質素基CDs和GQDs領域目前的研究熱點之一。如Ding 等[37]以低磺化度堿木質素為原料，利用長時間超聲同步硝酸水解(12 h)-水熱反應的“兩步法”工藝，首次實現了生物質原料基單晶氮摻雜GQDs的克級制備(如圖4所示)，所得氮摻雜GQDs的得率和量子產率(積分球法)均為21.0%。進一步研究發現，可通過改變激發波長、pH值和尺寸調節其光致發光行為。在小鼠單核巨噬細胞白血病細胞(RAW 264.7)中加入濃度為50 μg/mL的氮摻雜GQDs進行體外生物成像實驗，可實現對細胞質的多色(藍/綠/紅)熒光標記。而Li等[38]嘗試對來自酸法蒸煮黑液的木質素進行高溫碳化處理，然后在濃硫酸/濃硝酸的強氧化性混合酸(濃硫酸∶濃硝酸=3∶1,V/V)中進行水熱反應，得到了一種受300～500 nm波長光源作用能夠在460～550 nm范圍內表現出激發依賴發光的CDs。進一步的測試發現：該CDs表面含有大量含氧基團，有利于鉑的均勻穩定沉積，更多地暴露于反應體系中，從而提高其電催化性能；負載鉑以后在酸性介質中該CDs催化甲醇電氧化的性能遠好于商用鉑碳電極和鉑/釕碳電極，正向峰值電流密度可以達到0.76 mA/cm2，是一種優異的催化劑材料。另有Li等[39]將堿木質素分散于2.5% 的氨水中攪拌過夜，然后進行水熱反應，得到了熒光發光穩定且水溶性良好的CDs，其量子產率(參比硫酸奎寧)為14.24%。深入研究發現，該CDs的選擇性熒光猝滅行為與高價金屬離子(如Fe3+、 Mn7+、Cr6+等)的價態有關，因此可作為模型生物傳感器以研究金屬誘導猝滅機理；進一步測試表明引入一些生化還原劑(如維生素C，鹽酸羥胺，谷胱甘肽等)可使該CDs再次熒光發光，進而實現“淬滅-發光”的可逆調控。

圖4 “兩步法”制備木質素基GQDs的化學機理圖[37]Fig. 4 The two-step synthesis method of GQDs from alkali lignin

2.3 其他方法

除了以上兩類工藝，近年來其他木質素基CDs和GQDs的制備方法也有報道。如Myint等[40]使用壓縮液態二氧化碳處理硫酸鹽木質素，再先后置于250和700 ℃進行兩步碳化，最后在濃硫酸/濃硝酸的強氧化性混合酸(濃硫酸∶濃硝酸=3∶1,V/V) 中反應8～4 h，得到了得率和量子產率(參比香豆素153)分別為6%～7%和13%可激發出亮黃色熒光的CDs，其熒光發光呈現pH依賴性和光穩定性，且可耐受高濃度氯化鈉(≤800 mmol/L)。這種木質素基CDs受280～460 nm波長光源作用能夠在460～550 nm范圍內表現出激發獨立(不依賴)發光，而受480～640 nm波長光源作用則在460～550 nm范圍內表現出激發依賴發光；進一步的體外Hella細胞攝取研究表明該CDs的細胞毒性很低，有望應用于生物成像領域。而Rai等[41]首先利用微波輻射法處理木質素磺酸鹽，再連續進行超聲和硼氫化鈉還原，最終得到得率和量子產率(參比硫酸奎寧)分別為5.02%和47.3%的CDs，深入研究發現其能夠被癌細胞(A549和SW480)良好吸收，同時清晰地甄別細胞質和細胞核，四甲基偶氮唑鹽比色法和溶血試驗也表明該CDs生物相容性良好，有望作為潛在的腫瘤診斷/治療用探針。而Shi等[42]首先通過曼尼希(Mannich)反應對堿木質素進行氨基化改性，然后進行300 ℃保溫和長時間球磨(24 h)的連續處理，最后收集得到可激發亮藍色熒光的CDs，量子產率(積分球法)為8.1%，受280～400 nm波長光源作用在380～450 nm范圍內表現出激發依賴發光，且具有pH穩定性。該CDs攜帶的氨基可捕獲Fe3+并形成吸附復合物進而導致CDs發生熒光淬滅，因此可用于檢測溶液中低濃度的Fe3+，其有效濃度范圍為100 nmol/L～1 mmol/L(最低檢測限低至8 nmol/L)。Temerov等[43]另辟蹊徑，首先將硫酸鹽木質素與水合金屬氯化物(如氯化鈷、氯化鎳、氯化鐵等的六水合物)混合進行長時間攪拌(12 h)，再依次經歷500 ℃保溫和硝酸刻蝕(20%質量分數，沸騰)，最后通過堿熱(氫氧化鉀溶液，1 M)反應制得尺寸為20～25 nm可被紫外激發出黃光的GQDs，得率和量子產率(參比羅丹明6G)分別為14%～17%和12.4%，熒光壽命≥ 5.2 ns，且不同水合金屬鹽作為硬模板得到的GQDs均檢測到含有多種含氧官能團的石墨烯結構，同時可在550～600 nm范圍內觀察到激發依賴發光行為(光源波長為400～500 nm)。

3 木質素基CDs和GQDs的激發依賴發光行為

隨著高性能木質素基CDs和GQDs的研究日益深入，國內外學者對相關制備方法也提出了更為苛刻的要求，人們試圖尋找一種高效簡便、環境友好且穩定可靠的工藝來處理木質素及其衍生物原料，同時能夠實現對形貌、尺寸、雜原子摻雜和激發依賴發光行為等的調控，以滿足不同領域的應用對木質素基CDs和GQDs性能的要求。特別是激發依賴發光行為，一般認為其源自石墨烯結構的“巨型紅邊效應”(giant red-edge effect)，通常表現為只需調節激發光的波長就可以原位(in-situ)改變材料熒光發射光的波長，期間熒光強度基本不變。激發依賴發光是CDs和GQDs最重要的光學性能之一，這一性質與后兩者結構中引入了能夠帶來更多樣化電子躍遷的含雜原子官能團有關[44-46]。

但是，能夠表現出激發依賴發光行為的木質素基CDs或GQDs并未得到系統性研究，這是因為仍存在著一些技術瓶頸有待突破，主要包括：1)木質素及其衍生物原料的解聚歷程尚不明確。無論是“一鍋法”“兩步法”，還是其他方法，這些研究大多只是將木質素視為有別于化石燃料基化合物或無機礦物的一種碳源，所采取的諸如超聲、高溫碳化或氧化等過程對于木質素及其衍生物原料的選擇性較差，通常涉及多種反應物的化學變化，原料發生“自上而下”解聚時的影響因素過于復雜，直接導致產物的化學組成、尺寸和性質等無法精確控制[47]；纖維素酶有序解聚木質素進而制備CDs或GQDs的相關反應機理尚未得到總結。2)無法通過引入雜原子獲得可調控的激發依賴發光行為。眾所周知，雜原子摻雜能夠影響CDs或GQDs的激發依賴發光行為[48-49]，雖然已有引入含氮化合物或添加濃硝酸處理進而制備氮摻雜木質素基CDs或GQDs的報道，但鮮有研究能夠實現對木質素基CDs或GQDs激發依賴發光行為的調控，導致了已報道的材料大多表現為屬于下轉換(down-conversion)發光，其應用推廣受到嚴重局限。

簡而言之，制備具有可調控激發依賴發光行為的木質素基CDs或GQDs，其技術難點就在于開發一種高效環保的策略，既普遍適用于各種木質素原料的解聚，又能夠有序可控地進行雜原子摻雜。

3.1 木質素的解聚

木質素不僅來源廣泛，而且結構復雜，特別是其所含各種C—O和C—C連接的鍵強范圍過寬，加之木質素中的低分子量組分極易重聚成難處理產物，導致相關分離/純化技術的優化一直被列為木材化學領域的重點攻關課題。此外，木質素的分離/純化還能夠提升相關產品的利用效率，減少可能出現的環境污染[50]。以應用較多的工業木質素為例，目前有研究表明通過沉淀/過濾，可以輕易地從硫酸鹽法或堿法制漿黑液中回收得到硫酸鹽木質素或堿木質素[51]；使用超濾則可以從廢液中有效分離得到木質素磺酸鹽[52]。除了這兩類技術，有機溶劑抽提[53]和離子液體法[54]也逐漸成為木質素分離/純化的有效手段。若要實現這一目標，首先需要解析木質素上的各種活性基團和木質素單體結構，這樣才能夠更有效地選擇和改進木質素解離及“自上而下”解聚的技術手段[55]。如Si等[56]以農業廢棄物-水稻秸稈為木質纖維原料，通過與鹽酸(0.5%質量分數)的乙醇/水溶液(65∶35,V/V)混合后進行微波輻射，“一鍋法”同步制備了木質素納米顆粒和CDs。進一步研究發現，當處理溫度超過其熔點，木質素會發生膨脹并且在細胞壁上移動直至脫離，此時的木質素脫離物在水中以膠束(核殼結構)的形式存在，并最終在聚合物鏈的分子聚合(范德華力所致)和/或芳香結構的π-π聚合(π-π相互作用所致)作用下形成球形納米顆粒；而鹽酸則能夠破壞碳水化合物的無定形區，將三大素成分解聚成一系列單體或寡聚體化合物，隨著整個反應的進行相繼被脫水、聚合、凝結(芳香化)和碳化(環加成)，最終破裂成核得到CDs。而Chen等[57]發現，在常壓和≤80 ℃條件下使用高濃度對甲苯磺酸水溶液處理楊木絲(楊木片經蒸汽爆破的產物)，最多可溶出其中90.8%的木質素。進一步的測試表明：木質素溶出物種不含β-芳基醚和樹脂酚結構，證實相關過程中木質素的醚鍵發生斷裂；通過改變收集時的離心轉速可以調控木質素溶出所形成的納米顆粒的尺寸(數納米至幾百納米，離心轉速范圍為3 000～15 000 r/min)；使用過的對甲基苯磺酸(p-C7H8O3S)經由簡單的重結晶處理可回收再利用，顯著減少環境影響，同時降低成本(如圖5所示)。此外，諸如光催化[58]、γ-戊內脂/水混合溶劑[59]、低共熔體系[60]和優先水熱成碳[61]等也是木質素“自上而下”解聚的潛在工藝選擇。

圖5 利用對甲基苯磺酸水解木質纖維原料制備木質纖維結晶納米纖絲、木質纖維納米纖維素和納米木質素的工藝流程圖[57]Fig. 5 A low diagram illustrating the fractionation of raw lignocelluloses for producing lignocellulosic crystalline nanofibrils, lignocellulosic nanofibrils, and lignin nanoparticles using p-toluenesulfonic acid

3.2 雜原子的引入

近年來，不斷有學者通過研究CDs或GQDs中雜原子的作用機理來探究其與激發依賴發光行為的內在聯系。如Yuan等[62]通過精確控制檸檬酸與鹽酸胍(CH6ClN3)混合進行一鍋反應時兩者的比例，制備得到了一系列氮摻雜的CDs，其量子產率(3.4%～60.5%，參比奎寧)隨氮含量(5.5%～19.8%)增加而顯著增加，而其光致發光行為則由激發依賴發光逐漸轉變為激發獨立發光。深入研究發現，這是因為引入氮摻雜以供電子的氨基形式存在，既可以促使CDs發生表面鈍化，又能夠引發單電子躍遷，兩者均有利于CDs表現出激發獨立發光行為。Dong等[63]“一鍋法”共水熱處理檸檬酸和L-半胱氨酸(C3H7NO2S)的均勻混合物，最終制備得到氮硫雙摻雜的CDs，量子產率(參比硫酸奎寧)為73.0%，表現為激發獨立發光；而以相同的條件單獨水熱處理檸檬酸或甘氨酸(C2H5NO2)，得到的無摻雜CDs(量子產率為16.9%)或氮摻雜CDs(量子產率為5.3%)均為激發依賴發光。綜合各項表征，他們提出這一差異是因為無摻雜CDs具有多種表面態，對應于分布更寬的能級，表現為產生更寬的紫外可見吸收帶和激發依賴發射光譜。相對而言，氮摻雜CDs引入了一種能夠捕獲電子進而促進輻射復合的新表面態，但其光強度并未發生明顯改變，因此仍表現為產生寬的紫外可見吸收帶和激發依賴發射光譜。與前兩者不同的是，氮硫雙摻雜CDs存在協作效應，其中的硫會抑制氧并增強氮的作用，最終導致激發獨立發光行為(如圖6所示)。此外，諸如氮磷雙摻雜CDs[64]、氮氧雙摻雜CDs[65]、硼氮雙摻雜GQDs[66]、氮氟硫三摻雜GQDs[67]等研究也可以為制備具有可調控激發依賴發光行為的木質素基CDs和GQDs提供技術參考和理論支持。

圖6 無摻雜CDs、氮摻雜CDs和氮磷雙摻雜CDs的光致發光機理示意圖[63]Fig. 6 Representation for the FL mechanism of O-CDs, N-CDs, and N, S-CDs

受以上研究啟發，筆者嘗試了在溫和條件(常壓，≤80 ℃)下使用鄰氨基苯磺酸(o-C6H7NO3S)處理工業級堿木素，再水熱反應得到保留部分芳香基團的氮硫雙摻雜GQDs[68]。這種木質素基GQDs具有類石墨烯結構，表現出熒光亮度高、水溶性好、長程光穩定和良好生物相容等優點。進一步實驗發現，其在300～500 nm波長的光源作用下能夠在377～576 nm范圍內表現出激發依賴發光，可用于精確定量分析生物體內常見的生理氧化劑H2O2，檢測限低至0.13 nM。這是因為具有氧化性的H2O2能夠熒光漂白GQDs，而且其濃度與GQDs的熒光強度之間存在明顯的二段線性關系。進一步的密度泛函理論計算，證實了GQDs對于H2O2的高靈敏響應是因為鄰氨基苯磺酸解聚堿木質素時不僅發生醚鍵斷裂，同時伴隨著一定程度的酯化反應，導致產物中存在氮硫雙雜原子摻雜，不僅賦予其激發依賴發光行為，而且還會影響其分子內電荷轉移，容易受具有氧化性的物質，如H2O2等的影響而表現為熒光強度減弱。

4 展 望

木質素的資源化利用已成為生物質利用領域學者們所公認的熱點，也是木質素基CDs和GQDs的研究得以發展的良好契機。為了獲得具有可調控激發依賴發光行為的木質素基CDs或GQDs的有效制備方法，未來的研究可以從以下兩方面進行考慮：

1)設計合理的(化學、物理或化學物理)工藝手段，將木質素大分子解聚(或分離/純化)，解聚為尺寸或化學組成相對均一的中間體，才能夠保證CDs或GQDs的性能穩定性和制備工藝重現性；

2)雜原子的引入，具體涉及雜原子的種類(如氮、硫、磷、氧、硼、氟等)和摻雜量，這些因素會直接作用于表面能級和能隙，進而改變CDs或GQDs的光致發光行為。