高色純度熒光碳點的制備和應用研究進展

李亞楠，劉云，劉春艷，肖軍平

（1 北京科技大學 化學與生物工程學院，北京 100083；2 中國科學院理化技術研究所，北京 100190）

窄帶寬的高色純度熒光材料在超高清顯示和照明、超分辨成像和傳感、生物成像以及防偽等領域用途廣泛。目前發展和研究的高色純度熒光材料主要是稀土熒光材料［1-2］、有機大分子衍生物［3-4］、Ⅱ-Ⅵ族（CdSe，CdS，ZnS 等）和Ⅲ-Ⅴ族（InP，InAs 等）的半導體量子點［5-6］和鹵化物鈣鈦礦納米晶CsPbX3（X=Cl，Br 和I）［7-8］等。盡管它們具有色純度好、量子效率（fluorescent quantum yield，QY）高、窄帶寬發射和發光位置可調的優異特性，但稀土材料來源稀少、價格昂貴；Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半導體量子點和鹵化物鈣鈦礦納米晶通常含有劇毒的過渡金屬離子，如鎘和鉛等，環境危害大。這些不足限制了它們的大規模使用。與之相比，碳點具有合成原料廣泛、毒性小、光/熱穩定性好、環境友好以及生物相容性好的優點，可以作為上述高色純度熒光材料的理想替代者，用于超高清顯示、超分辨成像等領域。

碳點是由碳核和表面修飾層組成的尺寸小于10 nm 的零維碳材料［9］。依據微結構的不同，碳點可以分為碳量子點（carbon quantum dots，CQDs）（由微小sp2碳共軛結構的核和表面親水性官能團組成）［10］、石墨烯量子點（graphene quantum dots，GQDs）（邊緣存在親水性官能團的單層或多層石墨烯片）［11］、碳化聚合物點（carbonized polymer dots，CPDs）（sp2碳嵌在sp3碳基底上的聚合或交聯產物，通常炭化程度較低）［12］等幾種類型［13］。根據自身合成碳點的結構，不同研究者使用碳核發光（π 共軛結構）、表面態發光、發色團的分子態發光以及限域交聯提升發光等來解釋其發光機理［14］。

色純度是評估發光材料光學性能的重要因素之一。發光峰半峰寬（full width at half maximum，FWHM）越窄，色純度越高，因此可用FWHM 作為評價色純度的指標之一［15］。與發光色純度較低的傳統碳點（FWHM≥60 nm）相比，FWHM＜50 nm 的高色純度熒光碳點種類和數量相對很少；且在發光效率和色純度上與FWHM≤30 nm 甚至20 nm 的稀土熒光材料、Ⅱ-Ⅵ族半導體量子點和鹵化物鈣鈦礦納米晶等相比差距顯著。因此，迫切需要發展FWHM＜50 nm，甚至小于30 nm 的高QY 熒光碳點。基于此，本文主要從高色純度碳點的合成方法、FWHM 和峰位調制，以及應用等幾個方面對高色純度碳點的國內外研究進展進行了總結與評述。

1 合成方法

依據前驅體種類不同，碳點的合成可分為“自上而下法”和“自下而上法”兩種類型［16-17］。“自上而下法”通常以體相碳材料如石墨［18］、碳納米管［19］、煤［20］等作為前驅體，通過化學氧化、電化學氧化、激光燒蝕等方法將其刻蝕、剝離后得到碳點［21］。為提高其QY，通常需要對其進行表面鈍化。然而，即使經過細致的粒子分級，依然很難得到熒光峰FWHM＜50 nm 的高色純度碳點。“自下而上法”以小分子如酸［22］、醇［23］、酚類［24］、胺［25］、染料［26］等，聚合物如聚乙二醇［27］等，生物質如樹葉、種子、水果等［28-29］為原料，通過溶劑熱、水熱、微波法等途徑合成碳點。大量文獻表明，高色純度碳點通常由“自下而上法”制備，即使用特定結構的有機小分子和新鮮的植物葉子等作為碳前驅體，通過水熱、溶劑熱、微波、中溫加熱和硫酸碳化法等合成（如表1［11-12，30-50］所示）。為獲得色純度好的目標碳點，通常需要使用柱色譜分離技術、萃取、透析等過程對其進行分離純化，產物收率相對較低。

表1 合成高色純度碳點所用的前驅體、合成方法以及光譜特性Table 1 Precursor，synthesis method and spectral properties of high-color-purity carbon dots

2 影響高色純度碳點發光性能的因素

廣泛的研究表明，前驅體的種類、反應參數（如反應介質、溫度以及時間等）、表面官能團結構變化和溶劑化效應等會對高色純度碳點的結構產生影響，進而改變其發光位置、QY 和FWHM。

2.1 前驅體

高色純度碳點的合成，通常以芳香化合物如酚、芳胺、有機染料等小分子和生物質如植物葉片等為前驅體，通過溶劑熱、水熱、微波等過程得到碳點混合物，再結合透析、萃取、柱層析等復雜過程得到目標產物，因此，碳點收率通常較低。

2.1.1 有機小分子

間苯三酚、間苯二酚、萘二酚等酚類小分子是合成高色純度碳點最常用的前驅體之一。可通過反應參數，如反應溫度、時間和介質變化實現發光顏色從藍色到紅色的調制。2018 年，Yuan 等［30］以間苯三酚為前驅體，使用溶劑熱法結合柱色譜分離技術得到FWHM 為30 nm左右、發光位置分別在472，507，538 nm和598 nm、QY 超過50%的熒光碳點。此后，該課題組［31］以間苯二酚為前驅體，采用類似的合成方法制備了發光位置在520 nm 和610 nm、FWHM 略大于30 nm、QY 超過70%的綠色和紅色熒光碳點。Yoshinaga 等［32］在高沸點溶劑中敞口加熱間苯三酚得到了發光峰FWHM 為30 nm 左右的藍色和綠色熒光碳點，但其QY 明顯低于Yuan 等使用溶劑熱法合成的碳點。除單環芳烴外，多環芳烴如萘二酚也可用于合成窄帶發光的熒光碳點。Kwak 等［33］在硫酸-乙醇介質中熱處理1，3-萘二酚2 h，結合柱色譜分離過程得到了QY高達79.7%、FWHM 為30 nm 的黃色熒光碳點。將該碳點固定在SiO2基底上，可以得到發光峰FWHM＜40 nm 的碳點固體粉末。He 等［34］將N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和2，7-萘二酚溶解在乙醇中，通過高溫高壓反應得到粗產物。透析粗產物得到了分別在450 nm和550 nm 處有藍色和黃色發光的雙發射碳點，其中黃色碳點的FWHM 為43 nm。上述研究表明，羥基芳香化合物作為前驅體時，可以通過反應參數優化實現碳點發光位置調制。

芳胺也可用于高色純度碳點的合成，得到的主要是在長波長區域發光的熒光碳點，但QY 較酚基碳點偏低。例如，Liu 等［35］以鄰苯二胺（o-PD）作為前驅體、水為介質，在適量硝酸存在下，通過溶劑熱過程合成了發光位置在630 nm、FWHM 為40 nm 的紅色熒光碳點。Zhang 等［36］在NaSO4存在下，水熱處理o-PD 得到黃色熒光碳點。將該碳點質子化后，熒光峰的FWHM從70 nm 降到24 nm，發光位置從550 nm 紅移至620 nm。Ru 等［37］在硫酸-乙醇介質中以o-PD 和色胺酸為混合前驅體，通過溶劑熱法合成了熒光峰位于602 nm、FWHM 為23 nm 的紅色熒光碳點。Zhang等［38］在氯仿介質中溶劑熱處理o-PD，得到多色熒光碳點混合物。經柱色譜分離后得到了FWHM 為31 nm、發光位置595 nm 的橙紅色熒光碳點。

除o-PD 外，萘二胺、三（4-氨基苯基）胺等也可作為碳源，合成高色純度的碳點。Han 等［42］柱色譜分離1，4-萘二胺在乙醇介質中的溶劑熱產物，得到了FWHM 為30 nm，QY 高達82% 的橙色熒光碳點。Yuan 等［43］以1，5-萘二胺和檸檬酸作為共同前驅體，采用溶劑熱法合成了表面有豐富含氧官能團和氨基官能團的碳點。將其在氨水-肼-乙醇溶液中進行表面氨基化后，得到了QY 超過70%，FWHM 為35 nm 深藍色熒光碳點。Liu 等［44］在叔丁基過氧化氫和HCl 存在下，溶劑熱處理乙醇介質中的三（4-氨基苯基）胺，得到了QY 為84%，FWHM 只有27 nm 的紅色熒光碳點。研究發現，產物的QY 和FWHM 與前驅體結構密切相關；使用對苯二胺作為前驅體時僅能得到FWHM 為48 nm 的紅色熒光碳點。

提高有機分子的共平面性、分子剛性和共軛程度是獲得窄帶寬發光材料的有效途徑之一。基于這一原理，一些含有平面共軛結構的有機分子如有機染料也被用于合成高色純度碳點。所得碳點的發光位置和FWHM 與原料存在關聯。Tong 等［45］使用商品化有機染料孟加拉玫瑰紅作為前驅體，合成了FWHM約為30 nm 的綠色熒光碳點。考慮到碳點發光位置和FWHM 與染料本身非常接近，因此認為，碳點的高色純度發光與前驅體結構密切相關。酞菁是一種分子結構高度共軛的平面分子。Wang 等［11］在DMF 溶劑中溶劑熱處理酞菁和錫酞菁染料后，得到了FWHM分別為30 nm 和21 nm、發光峰分別為667 nm 和683 nm、QY 分別為40.7%和7.5%的紅色熒光碳點。

除芳香分子外，其他有機小分子，如乙二醇、谷胱甘肽等也可作為前驅體合成高色純度碳點。本課題組以乙二醇作為前驅體，通過硫酸炭化法合成了FWHM 為38 nm、QY 為63% 的綠色熒光碳點［46］。Pan 等［47］于160 ℃微波熱處理谷胱甘肽的甲酰胺溶液，獲得了FWHM 為30 nm，QY 為16.8%的近紅外熒光碳點。Wang 等［48］以苝-3，4，9，10-四羧酸二酐為前驅體，通過溶劑熱法合成了發光峰位于400 nm、QY 為23.9%、FWHM 為30 nm 的高色純度紫光碳點。

2.1.2 生物質

常規發光碳點合成，可以使用包括動物植物組織［51-53］、果實［54-55］、食物［56-57］、牛奶［58］、果殼［59-60］、指甲［61］等組成和形態各異的生物質前驅體。與之不同，高色純度碳點的合成，使用的主要是新鮮的植物葉片，得到的是發光處于紅外以及近紅外區域的熒光碳點。例如，Yang 課題組［12］將干燥的紅豆杉葉子研磨成粉后作為碳源，120 ℃溶劑熱處理5 h，結合柱色譜分離技術，制備了FWHM 為20 nm 的深紅色熒光碳點。Liu等［49］用乙醇萃取新鮮的桑葉，150 ℃熱處理萃取液得到的碳點，其FWHM 和發光峰位置與Yuan 等得到的碳點類似。406 nm 激發時，該碳點在乙醇溶液中的QY 高達72.6%。Qu 等［50］將新鮮玉蘭葉子清洗干凈并在50 ℃干燥12 h，然后將其粉碎后溶解在丙酮溶劑中合成了發光位置在678 nm 的熒光碳點（NMRCDs），它的FWHM 為25 nm。

2.2 合成參數

在碳點的合成過程中，即使使用的前驅體相同，如果反應介質、溫度以及時間不同，所得碳點的碳核或表面官能團也可能存在差異。以o-PD 為例，溶劑熱或水熱過程中使用的溶劑組成和反應時間的變化將帶來碳點光譜性能的顯著差異。Liu 等［35］的研究發現，使用硝酸水溶液作為溶劑時合成的紅色熒光碳點（CPDs-50），其熒光峰位于630 nm，FWHM 僅有40 nm。而在磷酸、硫酸存在下，則難以得到高色純度碳點。使用HCl，NaNO3代替硝酸時，得到的碳點CPDs-H 和CPDs-N，前者僅能發出微弱的紅色熒光；后者的最佳發射則在581 nm。這說明，H+和在CPDs-50 的形成過程中起著關鍵作用。Xu 等［40］在o-PD 水溶液中加入醋酸作為共同前驅體，通過水熱過程合成的碳點粉末（UVB-CDs），它的熒光峰位于深紫外區（308 nm），FWHM 僅有24 nm。與之相比，不加醋酸時得到的產物發光峰位于600 nm。依據結構表征結果，他們將UVB-CDs 的超窄固態發光歸因于醋酸引入后sp2共軛單元減小和sp3間隔區域的形成。Zhang等［38］使用三氯甲烷作為溶劑，o-PD 作為前驅體，160 ℃溶劑熱處理10 h，結合柱色譜分離技術得到了發光峰位于595 nm、FWHM 為31 nm 的橙紅色熒光碳點。結合結構表征，將橙紅色超窄發光歸因于氯原子和石墨化碳核間的p-π 共軛以及共軛氮原子含量的增加。Ru 等［37］的研究發現，使用o-PD 和色氨酸作為共同碳源，HCl/乙醇、水和硫酸/乙醇作為溶劑，160 ℃溶劑熱處理7 h，得到了發光顏色分別為藍色（B-）、黃色（Y-）和紅色（R-）的三種圓偏振發光熒光碳點（R-LCPD）（如圖1 所示）。但只有紅色熒光碳點（604 nm）的FWHM 為23.16 nm。結構表征表明碳點表面存在豐富的含氧/含氮官能團；隨著sp2碳共軛結構和粒徑增加，發光位置逐漸紅移。

圖1 具有全色圓偏振發光的多色發光手性碳化聚合物點的制備過程示意圖［37］Fig.1 Schematic of preparation procedure for multicolor-emitting chiral carbonized polymer dots with full-color circularly polarized luminescence［37］

酚也是一種合成高色純度碳點的重要前驅體。Yuan 等［30］的研究發現，以間苯三酚為碳源，乙醇為溶劑，200 ℃下溶劑熱反應9 h 和24 h 獲得的粗產物，通過硅膠色譜柱分離純化后，得到了形貌為三角形，尺寸分別為1.9 nm 和2.4 nm 的高結晶度藍色（472 nm）和綠色（507 nm）熒光碳點。它們的FWHM 分別為30 nm 和29 nm，QY 分別為66%和72%。向體系中加入硫酸后，同樣的溫度分別反應2 h 和5 h，得到的則是尺寸分別為3.0 nm 和3.9 nm 的黃色（538 nm）和紅色（598 nm）熒光碳點。它們的FWHM 都是30 nm，QY分別為62%和54%。XPS，FT-IR，NMR 以及密度泛函理論（DFT）計算表明，碳點獨特的剛性三角結構所帶來的電子-聲子弱相互作用是該系列碳點獲得高色純度的關鍵；碳點尺寸增加則是發光位置紅移的主要原因。此后，該課題組［31］采用相同的反應溫度溶劑熱處理間苯二酚4 h 和7 h 后得到了FWHM 分別為31 nm 和33 nm、QY 分別為75%和72%的綠色（520 nm）和紅色（610 nm）熒光碳點。反應時間不同導致前驅體脫水炭化程度差異，得到了尺寸分別為2.5 nm 和4.4 nm 的高結晶度三角形碳點。DFT 理論計算表明，與間苯三酚相比，受益于較低的反應勢壘，間苯二酚更容易形成尺寸較大的三角形碳點，進而實現長波方向的高色純度發光。

Liu 等［46］發現，將乙二醇硫酸炭化溫度從140 ℃降到80 ℃時，所獲碳點熒光峰的FWHM 從59 nm 降到了38 nm，發光位置從藍光區域紅移到了綠光區域。時間分辨熒光衰減過程考察表明，與藍色熒光碳點（雙指數衰減）相比，綠色熒光碳點的衰減曲線符合單指數方程；且在不同熒光位置的熒光壽命幾乎沒有變化。這說明，在該種碳點上很可能只存在一種微環境相同的發光中心；激子僅能通過一種輻射衰減模式復合，因此，綠色熒光碳點的FWHM 只有38 nm，呈現窄帶發光。

2.3 表面官能團結構變化和溶劑化效應

碳點表面官能團結構以及介質的溶劑化效應、pH值變化等也會影響碳點的光物理行為，進而實現窄帶寬的高色純度發光。Zhang 等［36］的研究發現，水熱處理o-PD 得到的黃色熒光碳點的發光性能與2，3-二胺基吩嗪的分子態發光類似。使用硫酸對其進行處理后，碳點表面的胺基官能團發生質子化，伴隨熒光峰峰位的顯著紅移（550 nm→620 nm）。更為重要的是，FWHM 從70 nm 降到了24 nm。2，3-二胺基吩嗪發色團的質子化及其與碳點之間的相互作用，是碳點發光峰紅移和色純度顯著提升的主要原因。Yuan 等［43］以1，5-萘二胺和檸檬酸作為共同前驅體，通過溶劑熱法合成的碳點，其表面存在豐富的含氧官能團和胺基官能團。使用氨水-肼-乙醇溶液對其處理后，碳點表面的含氧官能團消失，發深藍色光，色純度得到明顯提高，FWHM 從大于80 nm 降到了35 nm。結合理論計算，他們提出消除碳點表面的含氧官能團更有利于獲得窄帶寬的發光。

溶劑也會對碳點的熒光色純度和位置產生一定影響。Yoshinaga 等［32］的研究發現，使用間苯三酚作為碳源合成的碳點，其熒光峰的FWHM 隨著溶劑極性的增加，從27 nm 增大到了40 nm；發光位置從511 nm 藍移到了463 nm。這可能與碳點在不同溶劑中的溶劑化效應所帶來的碳點表面態和粒子分散性差異等有關。從以上研究可以看出，要獲得碳點在特定波長的高色純度發光，除關注前驅體、反應參數等帶來的碳點尺寸、核和官能團結構等的變化外，還需對碳點與溶劑的相互作用，以及隨之而來的結構變化予以考量。

3 高色純度碳點的應用

與目前發展的高色純度熒光材料，如Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族半導體量子點、鹵化物鈣鈦礦納米晶體CsPbX3（X=Cl，Br 和I）等相比，碳點不含有毒的重金屬離子，如鎘離子、鉛離子等，因此具有環境友好、生物危害小的優點。與稀土發光材料相比，碳點還具有原料來源廣泛、成本低的優點，因此在廣色域超高清顯示器、超分辨成像和傳感以及防偽等領域具有廣泛用途。

3.1 LED 器件

國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）發布的“ITU-R 推薦標準BT.2020”（Rec.2020，Recommendation BT 2020）提出，下一代超高清顯示器對背光源的色純度提出了更高要求（FWHM≤20 nm）。常規碳點較低的發光色純度（FWHM＞60 nm）難以滿足此要求。從表1 可以看出，高色純度碳點的FWHM 在20～40 nm。以其作為發光材料更有可能獲得色純度和色彩還原度更好的LED 器件。

以高色純度碳點作為發光單元，構筑LED 器件主要基于兩種原理。一是作為光致發光材料在商品化的藍色或紫色LED 基底上制備光致發光層，實現高質量的單色和白光發光；二是作為電致發光單元直接構筑單色和白色LED 器件。

北京師范大學的范樓珍教授課題組在這方面做出了引領性的工作。Yuan 等［31］使用透明聚丙烯酸甲酯（PMMA）作為膜材料、高色純度紅色和綠色熒光碳點作為發光單元，在藍光LED 基底上構筑了紅色和綠色碳點薄膜，得到白光LED。器件的顯色范圍高達110% 的國家電視委員會（National Television Systems Committee，NTSC）色域標準，足以與高色純度的鈣鈦礦量子點LED 和半導體LED 器件的性能相媲美。在20 mA 電流驅動下，器件的色坐標為（0.35，0.33），流明效率為86.5 lm·W－1，顯色指數（color rendering indexes，CRI）為56.9，且具有很好的器件穩定性。Yoshinaga 等［32］將FWHM 分別為33 nm 和35 nm的碳點作為發光單元，聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為膜材料，在紫外LED 基底上構筑了一層碳點基薄膜，得到了高色純度的單色LED 器件。與碳點在溶液中的熒光相比，器件的發光峰僅略有展寬。

高色純度碳點也可作為發光單元構筑電致發光層，實現LED 器件的高色純度單色和白光發光。例如，Yuan 等［30］將制備的高色純度的藍色、綠色、黃色和紅色碳點分別與聚（N-乙烯基咔唑）（PVK）混合作為電致發光層，構筑的藍光、綠光、黃光和紅光LED，發光峰FWHM 分別為30，32，38 nm 和39 nm，實現了器件的高色純度和高效單色發光。Yuan 等［43］使用高色純度深藍色熒光碳點作為發光單元，PVK 作為主體材料構筑了深藍色LED 器件。該器件的色坐標為（0.15，0.05），與Rec.2020 標準中的深藍坐標（0.131，0.046）非常接近；最大亮度高達5240 cd·m－2，最大外量子效率（external quantum efficiency，EQE）為4%，超過之前報道的鎘基/鉛基深藍色LED 器件。蘇州大學康振輝教授課題組［48］使用高色純度紫光碳點作為發光單元，PVK 作為主體材料構筑的紫光LED 器件，中心波長位于408 nm，最大亮度為1.63 cd·m－2，EQE 為0.831%，較傳統鈣鈦礦量子點基LED 的EQE 更大（0.31%）。此外，它具有0.62 cd·A－1的高電流效率，穩定的壽命（T50≈50 h）以及3.7 V 的低開啟電壓，為碳點在紫光LED 領域的應用開辟了新的途徑。

3.2 超分辨成像和傳感

高色純度碳點還可以應用到傳感方面以實現常規碳點不能實現的應用如超分辨傳感以及離子和分子的檢測等。Wang 等［11］制備了FWHM 分別為21 nm和30 nm 的兩種近紅外發射碳點，將其分別命名為GQDs-Sn 和GQDs-OH。它們的發光位置分別為683 nm 和667 nm；在不同激發波長下具有不同熒光壽命。根據不同類型GQDs 獲取光譜信息，依據時間“簽名”特征進行超分辨率處理。在不使用光譜儀的情況下，成功將其應用于超分辨光譜和空間傳感。研究發現，GQDs-Sn的定位誤差約為1個像素（10 nm），GQDs-OH的定位誤差約為3 個像素（30 nm）。Qu 等［50］將以玉蘭葉為前驅體合成的高色純度近紅外碳點（NIR-CDs）與兩親性表面活性劑F-127 自組裝制備水溶性膠束納米探針，可以實現水樣和細胞中重金屬Pb2+的選擇性檢測。該探針細胞毒性很小，檢測原理基于納米探針與Pd2+之間形成相當穩定的絡合物后導致的碳點熒光猝滅效應。

3.3 生物染色劑

碳點尤其是以新鮮植物葉子作為前驅體合成的紅外和近紅外高色純度熒光碳點具有毒性低、生物相容性好、生物組織穿透深度大和可有效避免背底熒光干擾等優點［62-63］，因此在生命科學、藥學和醫療診斷等領域有著非常廣泛的應用前景。吉林大學楊柏教授課題組［35］的工作具有代表性，以o-PD 為前驅體合成高色純度紅色熒光碳點（CPDs-50），并成功應用于生物活體組織的實時成像。研究發現，該碳點可通過血液循環方式進入生物體內；碳點及其代謝產物可通過腎臟系統和肝膽系統排出體外。隨后，該課題組［12］還發現，使用紅豆杉葉子為前驅體合成的深紅色熒光碳點，其FWHM 僅有20 nm，可用于老鼠內深層組織的單光子和雙光子熒光成像。復旦大學的熊煥明教授課題組［49］使用桑葉作為前驅體合成的紅色熒光碳點喂蠶，得到了可以發出明亮紅色熒光的蠶繭。除上述應用外，高色純度碳點還可用作熒光墨水，用于防偽標簽制作［33］。

4 結束語

得益于窄帶寬的高色純度發光特性和優異的光學和化學穩定性，高色純度碳點在超高清顯示和照明、超分辨成像和傳感、生物成像以及防偽等眾多領域具有廣泛用途。盡管目前已經在高色純度碳點制備和應用方面取得了一定進展，但仍存在一些亟待解決的問題：

（1）在合成方面，與常規碳點相比較，高色純度碳點制備過程復雜、種類少、產量小。合成時使用的前驅體主要是芳香化合物和植物葉片等，得到的主要是長波方向發光的碳點，短波長方向的紫色、藍色、綠色高色純度熒光碳點則相對缺乏。合成方法主要是溶劑熱/水熱法。為獲得高色純度碳點通常需要使用柱色譜分離技術、透析等方法進行后續的分離和提純，過程復雜、繁瑣，難以實現目標碳點的規模制備，因此，需要發展更為簡單的方法，在使用更加綠色、廉價前驅體的基礎上，實現不同顏色高色純度碳點的規模制備。

（2）碳點光譜性能需進一步提升。Rec.2020 標準提出，下一代高清顯示器的色純度要求FWHM≤20 nm，使用紅、綠和藍三原色的色坐標，這對發光材料的性能提出了更高要求。目前報道的高色純度碳點的性能與此存在著明顯差距，因此需要進一步優化碳點的分離與純化技術，在準確表征碳點結構的基礎上，結合理論計算和模擬，揭示高色純度碳點的發光機制、發光位置和FWHM 與結構的關聯關系，實現碳點發光位置的調制和色純度、QY 的提升。

（3）與常規碳點相比，高色純度碳點的應用還非常有限。基于其優越的光譜特性，發展高色純度碳點的新應用領域和提高其應用性能也是該領域的重要發展方向。