南华大学张也课题组AOM：光“质”发光——木质素基石墨烯量子点应用于可见光驱动光电探测

摘要：南华大学化学化工学院张也课题组王瑞彬博士巧用水助溶剂分级和共水热碳化，合成出新型的木质素基石墨烯量子点，氮硫共掺杂的丰富化学位赋予其可调制的宽带光致发光，拓展了高性能可见光驱动光电探测器的构建思路。

关键词：Advanced Optical Materials, 木质素, 石墨烯量子点, 光电探测器, 南华大学, 可见光驱动

木质素是植物“三大素”中结构最为复杂的一种，同时也是自然界储量最丰富的芳香高分子，它来自于光合作用，主要功能是形成细胞壁、运输水分、保护种子和应激适应等。相比于其他“两大素”，业界对木质素一直“毁誉参半”，虽然“you can make anything out of lignin, except money”为世人熟知，但是“生物质精炼的障碍”和“低附加值的造纸副产品”的称号一直陪伴左右。近年来，随之科学研究的不断深入，木质素越多越多的优点被发掘出来，“绿水青山，就是金山银山”逐渐成为木质素研究领域的最佳脚注。催化、储能、传感和指示，木质素正成为越多越多新兴领域的“香饽饽”。

比其他多糖高分子多出30%能量密度是木质素的“独门秘方”。然而，“成也萧何败萧何”，木质素更“为人称道”的却是其超过60 wt%的碳含量。将木质素彻底转化为性能拔萃、形貌各异的高性能纳米碳材料固然引人入胜，但是，“半渡而击”又何尝不是“终南捷径”呢？。最近，基于有机酸类水助溶剂（如对甲苯磺酸、马来酸、草酸等）成为木质素研究领域的热点之一。既可以在常压下将木质素从植物生物质中高效分离，又可以同步实现木质素的纳米化，无疑为木质素基碳材料的开发提供了更多可能性。从“木质素→纳米碳”到“木质素→纳米木质素→纳米碳”，看似 “多此一举”，实则“另辟蹊径”，前者是元素层面的材料工程，而后者却是结构和元素两个层面的“琴瑟和鸣”。从“Top-down”到“Top-down→bottom-up” 更像是材料设计思路的拓展，既可以作为石油基前驱体的可持续替代物，又是其他天然高分子基模板剂的“plan B”；既是可化学修饰位点最多的芳香高分子，又是纳米碳材料前驱体里形貌最丰富的。近年来，基于上述思路，已有多种具有独特化学结构和光物理特性的木质素基石墨烯量子点被开发出来，可广泛应用于灵敏指示、生物成像和多重防伪等领域。

南华大学化学化工学院张也课题组的王瑞彬博士应用水助溶剂分级和共水热碳化，合成出了一种新型木质素基石墨烯量子点，并对它的特性进行了详细的阐述。他们以水助溶剂分级植物生物质得到的纳米木质素为中间体，在水热碳化过程中引入不同杂原子，首次实现了木质素基石墨烯量子点在光电探测领域的应用。测试表明，氮硫双掺杂的木质素基石墨烯量子点具有较高的量子产率（19.8%），并且在中性电解质（0.01 M KCl）中获得最高1.41 μA cm-2的光电流密度和12.41 μA W-1的光响应性。最令人兴奋的是，在350-550 nm的可见光区域都可以观察到出色的光电响应，300次循环后的光电流密度保持率高达91.8%，损失率低至0.027%/循环，即使放置一周以后，此项指标仍然仅有0.068%/循环。值得注意的是，实际测得的响应时间和恢复时间分别为1.50-2.12秒和≤0.32秒，这种独特的“慢响应快回复”具有巨大的应用潜力有待挖掘。

研究者相信，此项研究将会为木质素基低维材料在光电传感领域的应用赋能，同时为并为生物质基天然高分子的分子设计和化学改性提供新的思路参考。光“质”发光，这些光合作用而来的天然高分子，将会为光电传感领域装扮上更多光彩，seeing is believing。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials上。

论文信息：

Application of Lignin-Derived Graphene Quantum Dots in Visible Light-Driven Photoelectrochemical Photodetector

Ruibin Wang, Wenjie Su, Shilong Zhang, Linghua Jin, Jing Zhang, Huiyang Bian, Ye Zhang*

Advanced Optical Materials

DOI:10.1002/adom.202202944