近日，南京师范大学能源与机械学院杨宏旻教授领衔的能源系统过程转换及减污降碳科研团队在生物质高值转化利用方面取得进展，相关研究成果在《Green Chemistry》上发表题为“Highly efficient fabrication of lemon peel-derived carbon quantum dots for multicolor light-emitting diodes”论文。

生物质基碳量子点（CQDs）已成为发光二极管（LEDs）应用中传统半导体量子点的一种有前途的可持续替代品，在可再生性、低毒性和环境友好性方面具有明显优势。然而，如何高效制备多色生物质基CQDs 仍是实际应用中的一个关键挑战。

本研究从 26 种农林残留物、园林废物和食物垃圾中筛选出柠檬皮作为最佳前体。通过水热碳化和可控杂原子掺杂的绿色合成策略，制备了具有优异光致发光性能的多色 CQDs。合成的 CQDs 具有可调的发射波长（440-655 nm）、高荧光量子产率（4.98-35.58%）和优异的光稳定性。通过使用多色生物质源 CQDs 和聚合物的混合物构建多层器件结构，成功制造了高效发光的 LED。基于 CQD 的 LEDs 显示出高显色指数（81.8-92.9）和覆盖可见光谱的宽色温范围（3912-6964 K），同时在 11 832-12 815 h 的工作寿命期间衰减率保持在 30% 以下。这项工作不仅为低成本和可持续合成 CQDs 提供了一条新途径，而且为绿色电子器件奠定了理论和技术基础，推动了生物质资源在高价值光电器件中的应用。

图1 多色生物质基CQDs的制备及LEDs应用

从 26 种生物质（即农业和林业废弃物、园林绿化废弃物和食物垃圾）中提取的 CQD 在紫外光激发下均呈现蓝色荧光。但是，它们的荧光 QYs 存在显著差异。用 12 种农林废弃物制备的 CQDs 的荧光 QY 值普遍较低，均低于约 2%。其中，棉秆和木屑制备的 CQD 的荧光 QY 均为 1.74%。相比之下，从园林废物和食物垃圾中提取的 CQD 具有更高的荧光 QY，其中泡桐叶、鸡蛋壳和柠檬皮提取的 CQD 的荧光 QY 分别为 9.03%、9.29% 和 4.51%。可以看出，园林废物和食物垃圾在制备具有高荧光 QYs 的 CQD 方面表现出更大的潜力。生物质的固有特性（碳源、杂原子组成和官能团）会影响 CQDs 的尺寸、结晶度、缺陷和表面状态，最终决定其荧光 QY。

图 2 利用不同掺杂剂，采用（a）水热法或（b）溶剂热法从不同生物质制备 CQDs 的荧光 QYs

红光、绿光和蓝光是白光的三原色，将制备好的三种单色 CQD 按不同比例与淀粉混合制成 W-LED 并对其光学特性进行表征。结果表明，增加 R-CQDs 成分可大幅提高 LED 的显色指数，同时降低 CCT。当 R-CQDs、G-CQDs 和 B-CQDs 的质量比为 2:2:2 时，可以得到 CIE 坐标为（0.31，0.31）、CCT 为 6964 K 和 CRI 为 81.8 的 W-LED222。值得注意的是，白光占总发光的 93.3%，并不是标准的白光 CIE 坐标。这是由于与 G-CQDs 和 R-CQDs 相比，B-CQDs 具有更高的荧光 QY。G-CQDs 和 R-CQDs 的比例不断增加，CRI 和 CCT 都有显著提高。相反，当 B-CQDs、G-CQDs 和 R-CQDs 的质量比为 1:3:2 时，可得到 CIE 坐标为（0.33，0.33）、CRI 为 87.1、CCT 为 5608 K 的标准 W-LED132，白光比例提高到 98.9%。当 B-CQDs、G-CQDs 和 R-CQDs 的质量比为 1:2:3 时，可获得高质量的暖色 W-LED123，其 CIE 坐标为（0.37，0.32），CCT 为 3912 K，CRI 为 92.9。所得到的光接近太阳光，色温在 3500~5000 K 范围内，对人眼视力的影响极小。（内容来源：南京师范大学/能源与机械工程学院）

图 3 (a) 使用 B-CQD、G-CQD 和 R-CQD 构建的不同 W-LED 的光学图像、(b) CIE 色坐标、(c) 相应发射光谱和 (d) 光谱组成

（文章链接：https://doi.org/10.1039/d5gc01179e）