碳量子点的合成、性质及应用

高雪，孙靖，刘晓，王华，韩金玉

（1天津大学化工学院，天津 300072；2绿色合成与转化教育部重点实验室，天津 300072）

碳量子点的合成、性质及应用

高雪1，2，孙靖1，2，刘晓1，2，王华1，2，韩金玉1，2

（1天津大学化工学院，天津 300072；2绿色合成与转化教育部重点实验室，天津 300072）

碳量子点的研究引起了国内外学者的广泛关注，近年来更是掀起了以天然物质为碳源制备碳量子点的研究热潮。本文基于碳量子点的最新研究进展，总结了碳量子点不同的合成方法，主要包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法等“自上而下”合成法与燃烧法、水热法等“自下而上”合成法。此外，还重点介绍了碳量子点的表征技术，如透射电子显微镜、拉曼光谱、荧光光谱、紫外可见光谱、X射线衍射、核磁共振技术等，以及碳量子点的性质及其在生物成像、生物传感与检测和光催化等领域的应用。最后展望了未来碳量子点在光催化、电催化等领域研究工作的发展方向。

碳量子点；合成方法；荧光；生物成像；光催化

碳元素是自然界中含量最丰富的元素之一，也是构成生命体最基本的元素。近年来，含碳纳米材料引起了广泛的研究兴趣，如碳纳米管[1]、富勒烯[2]等。但由于其自身缺陷，如纳米金刚石制作成本和分离成本过高、碳纳米管水溶性较差，且不是有效的光学发射体（尤其在可见光范围内），在很大程度上限制了这些碳材料更为广泛的应用。碳基纳米点是一种新型的零维碳纳米材料，相比于传统的碳材料，其制作成本、分离成本更为低廉。此外，其表面有较多亲水基团，因而具有更好的水溶性。

碳基纳米点简称碳点，如图1所示，可分为石墨烯量子点、碳量子点、聚合物点。碳量子点是由分散的类球状颗粒组成，尺寸在10nm以下，具有荧光性质的新型纳米碳材料。2004年，XU等[4]首次在电泳法制备单壁碳纳米管的纯化过程中制备出一种具有尺寸相关的荧光性质的碳材料。SUN等[5]在2006年通过表面钝化合成了具有增强荧光发射效应的荧光纳米颗粒，并将其命名为碳量子点。此外，WANG等[6]在2011年通过分离蜡烛燃烧的烟灰得到尺寸小于2nm的碳量子点，研究表明该碳量子点是单纯sp2杂化的共轭体系。

图1 3种不同类型的碳点[3]

由于传统的半导体量子点和有机染料在生产的过程中使用重金属，因此具有较高毒性，限制了其进一步应用[3，7-8]。与传统半导体量子点相比，碳量子点不仅具有类似于传统量子点的发光性能与纳米尺寸特性，而且具有很好的水溶性、化学惰性、易功能化、高耐光漂白、低毒性和良好的生物相容性等特性[9]，因此在不同研究领域获得了广泛关注，同时也代表发光纳米粒子研究进入了一个新的阶段。

研究发现碳量子点在近红外光下激发出的荧光可穿透生物组织，应用于活体生物纳米技术领域[10]。而在水溶液中所发射出的荧光可以有效地被电子供体或电子受体猝灭，这证明量子点具有很好的电子转移性能[11]，因此可应用于光电探测器和太阳能电池[12]。此外，碳量子点也可应用于敏感离子检测的纳米探针[13-14]、光电催化[11，15-17]、生物成像[6，10，18-22]等领域。

本论文将就碳量子点研究领域的最新进展进行介绍，主要包括合成、性质与应用等方面，希望可以提供一个尽可能全面的碳量子点研究现状概述，对其物理化学性质和相关应用的研究开发提供帮助。

1 碳量子点的合成

碳量子点的合成方法多种多样，根据碳源的不同可以分为两种：“自上而下”[4-5，23-24]（图2）和“自下而上”[19-22，25-26]。合成得到的粗产物再通过透析、离心、电泳等方法进行提纯。

1.1 “自上而下”方法

用“自上而下”法合成碳量子点的碳源一般为碳纳米管、碳纤维、石墨棒、碳灰和活性炭等。然后通过电弧放电、激光销蚀、电化学合成等手段将这些富碳物质进行分解并最终形成碳量子点。

1.1.1 电弧放电法

2004年，XU等[4]在通过弧光放电法从碳灰中提纯碳纳米管时发现了碳量子点。2011年，CAO等[27]通过对石墨棒进行电弧放电制备出了粒径不大于10nm且具有强还原性的碳量子点。该碳量子点可以将贵金属盐还原成单质，进而形成碳量子点和贵金属核壳的纳米结构。电弧放电法制得的碳量子点荧光性能较好，但是产率较低、所得产物杂质较多且纯化过程繁琐、产物收集困难。

1.1.2 激光销蚀法

激光销蚀法主要是在高温高压下利用激光销蚀碳靶得到碳纳米颗粒，再经过表面修饰、官能化等后续处理得到发光的碳量子点。2006年，SUN等[5]首次用激光销蚀法制备了碳量子点：在水蒸气的氛围下，氩气作为载气，温度900℃，压力75kPa，用10Hz 1064nm的Q转换Nd:YAG激光器轰击自制的石墨靶，通过激光销蚀得到粒径不均的粗产物，再将其在2.6mol/L的硝酸中回流12h，用聚合物进行表面钝化处理，通过离心、电泳和透析等方式提纯。得到的纯化碳量子点在440nm波长紫外光激发下，其量子效率可达到20%。但是该方法所需的仪器设备较贵，合成过程复杂，产物粒度不均匀且纯度较低。1.1.3 电化学合成法

图2 碳纳米晶体的高倍透射电镜[23]

电化学合成法是将碳源作为工作电极制备碳量子点。ZHOU等[23]在对负载多层碳纳米管的电极进行多次充放电后，发现电解液在紫外灯光照射下可以呈现不同的荧光效应，经过干燥、层析后得到的固体在高倍电镜下拥有清晰的晶格条纹，其晶面间距为0.38nm，该方法首次实现了碳量子点的电化学合成。

LI等[24]以乙醇作为碳源，用电化学法制得了粒径不超过3nm的碳量子点，制备出的碳量子点荧光寿命较长、对pH敏感，激发后可发射具有上转换特征、波长覆盖整个可见光区域的荧光。

电化学合成法制得的碳量子点均匀性较好，碳源利用率较高，可大量制备。但是原料的前期处理工作与后期的纯化工作较为复杂。

1.2 “自下而上”方法

用“自下而上”法合成碳量子点，多采用有机小分子或低聚物作为碳源，常用的有柠檬酸、葡萄糖、聚乙二醇、尿素、离子液体等。常见的方法有燃烧法、水热法、微波合成法和聚合法等。相比于“自上而下”法，这种方法碳源更加广泛，制备工艺更加简单，适合大规模生产。

1.2.1 燃烧法

MAO等[19]首次通过燃烧法制备了碳量子点。工艺首先将铝箔放在蜡烛上方，收集蜡烛烟灰，然后将其与硝酸一起回流，反应后分离提纯，从而获得碳量子点。

RAY等[25]则将通过燃烧法收集的蜡烛烟灰，经过离心、萃取等方式进行纯化，从而获得碳量子点，用此法获得碳量子点虽然产率较低，但产物具有石墨烯的特征。

1.2.2 水热合成法

水热合成法是直接通过水热反应合成碳量子点的方法。

本文作者课题组孙靖等[28]通过分子的自组装，形成以苯基为桥式结构单元的有机氧化硅纳米管，并对其进行高温碳化，得到掺杂碳量子点的二氧化硅纳米管。由图3所示，合成的碳纳米颗粒具有明显的结晶性和光致发光性能。该方法制备碳量子点的优点在于跨越了碳量子点先合成后负载的传统步骤，提高了负载成功率，实现了负载碳量子点纳米管材料的一步合成。

图3 掺杂碳量子点的二氧化硅纳米管[28]

将碳量子点作为光敏剂或电子受体掺杂在不同载体上，可以大幅度提高材料对光的吸收效果和电子转移效率，进而提高材料在光电催化方面的活性。将碳量子点与氮化碳（C3N4）结合的复合催化系统则可有效光催化分解水产氢[29]。本文作者课题组对碳量子点应用于光电方面的研究正在进一步探索中。

DING等[20]将尿素和苯二铵溶于水后在160℃下水热10h，再利用乙酸乙酯和乙醇进行层析分离，得到碳量子点；BOURLINOS等[21]通过水热法，以柠檬酸和11-氨基十一酸钠的混合物为原料制备了水溶性碳量子点，获得的碳量子点因外壳上存在钠离子而具有离子交换功能。

水热法合成步骤简单、绿色环保且制备的碳量子点粒度较为均匀。

1.2.3 化学氧化法

化学氧化法是通过氧化剂如浓硫酸、硝酸等对碳源进行氧化制备碳量子点。

PENG等[22]采用碳水化合物为碳源，以浓硫酸为氧化剂，将碳源进行脱水碳化与表面钝化处理，获得碳量子点。BHUNIA等[30]以多种糖类为碳源，以浓H3PO4或者浓H2SO4为氧化剂，将碳源脱水碳化处理，制备出具有不同荧光效应的碳量子点。

化学氧化法合成过程较复杂，不利于产物收集，且制备的碳量子点粒度不均匀。

1.2.4 模板法

模板法是以特定的支撑材料为模板，在模板上合成碳量子点后，用酸蚀等手段除去模板，获得碳量子点。

LIU等[31]用两性聚合物F127进行硅胶球体的功能化，以制备出的F127/SiO2复合物为模板，以可溶性酚醛树脂为碳源，高温煅烧生成C/SiO2复合物后，通过热分解和NaOH溶液40℃下的刻蚀除去模板，再经浓硝酸回流氧化与表面钝化处理，最终得到碳量子点。量子产率可达到11%～15%，且在pH为5～9的范围内，量子产率无明显变化。

模板法获得的碳量子点粒径分布均匀、水溶性好，但是该方法合成步骤较复杂，且残留的模板会导致碳量子点的不完全提取。

1.2.5 微波合成法

微波是指波长从1mm到1m的电磁波。微波合成法是利用微波处理碳的前体，合成碳量子点。

ZHU等[32]以葡萄糖为碳源，与聚乙二醇（PEG200）混合后，进行微波加热制备碳量子点。实验中，溶液由黄色逐渐变为深棕色，证明碳量子点的荧光性能随微波处理时间改变。所获得的碳量子点荧光特性与水溶性较好。

微波合成法的合成步骤大大简化，但是制备的碳量子点粒度不均匀。

综上所述，这两类合成方法具有不同的优缺点，“自上而下”法是通过将骨架彻底粉碎产生碳量子点，产率较低；“自下而上”法则是以有机分子为碳源合成碳量子点，但是只有当碳源为小分子有机物时，该方法才会获得较高的产率，其中化学氧化法和水热合成法等较为常见。

2 表征

碳量子点常用的表征手段为透射电子显微镜、拉曼光谱、荧光光谱、紫外可见光谱、X射线衍射法、核磁共振技术等。

2.1 透射电子显微镜

透射电子显微镜简称TEM，是利用加速电子束与样品碰撞后产生的立体散射角去形成明暗不同的影像，影像再经过放大聚焦成像即为TEM。通过TEM观察，如图3(b)所示，本文作者课题组的孙靖等[28]通过高温碳化有机硅纳米管，酸化处理制得的碳量子点粒度较小、分散均匀、晶面间距为0.25nm。

2.2 拉曼光谱

拉曼光谱是通过对与入射光频率不同的散射光谱进行分析，得到分子振动、转动方面信息，可用于判断碳量子点的结晶程度。孙靖等[28]制备的碳量子点的拉曼光谱如图3(c)所示，D峰表示材料中的无定形碳，G峰表示结晶型碳，在拉曼谱图中相比于E-CS-NT，B-CS-NT的ID∶IG更小、接近于1.1，且G峰形更尖锐，因此其合成的碳量子点结晶度 更高。

2.3 荧光光谱与紫外可见光谱

荧光光谱与紫外可见光谱不仅可用于判断碳量子点的光学性质，也可提供碳量子点的浓度、形状、尺寸、粒径分布等信息。通过荧光光谱分析，张小燕[33]通过电化学氧化法制得的碳量子点其荧光强度随浓度的降低而减小。

2.4 X射线衍射法

X射线衍射是通过衍射原理测定物质的晶体与应力结构，常用于获得碳量子点的粒径与晶体结构等信息。BOURLINOS等[21]利用柠檬酸和11-氨基十一酸钠的混合物通过水热法制备出了水溶性碳量子点，通过X射线衍射法分析，可观察到其内部的无序碳结构与表面修饰的烷基官能团。

2.5 核磁共振

核磁共振是通过物质对射频磁场能量吸收情况的不同，判断物质的元素组成与结构。TIAN等[34]用天然气灰制备出晶面间距约为0.208nm的碳量子点。由核磁共振表征可知，当化学位移在90～180范围内时，出现sp2杂化碳的信号峰，而当化学位移在8～80范围内时，没有出现 sp3杂化碳原子的信号峰，这证明该碳量子点由 sp2杂化碳组成，如图4。

图4 碳量子点的核磁共振谱图[34]

3 性质

3.1 结构

碳量子点是以碳为骨架结构的新型纳米材料，不同合成路径获得的碳量子点具体结构一般不同[15，35-37]。总体来说，碳量子点的核一般由sp2杂化纳米晶碳组成，其晶格间距与石墨的晶格间距一致。如图5所示，碳量子点的核非常小，表面连有羧基和羟基且位点不均一，通过表面钝化等方法即可促进碳量子点空穴的捕获，因此碳量子点具有较好的水溶性、易功能化。

图5 碳量子点的化学结构[35]

3.2 光学性质

3.2.1 吸收与荧光稳定性

碳量子点在紫外光区有较强的吸收峰，并且在可见光区域有长拖尾。大多数吸收峰带集中在260～320nm，通常表现出荧光最大发射波长、激发波长依赖性等光学特征。

TAO等[10]用350W的高亮冷光对碳量子点进行24h照射，碳量子点表现出很好的稳定性，没有光漂白现象，但是在相同实验条件下的荧光素，在照射6h的时候，荧光几乎完全消失。

3.2.2 荧光机理与影响因素

关于碳量子点荧光性能的机理，一直没有定论。目前被广泛认可的荧光机理主要包括自由锯齿位点[38]、芳香耦合结构[39]、表面缺陷[40]等。

有研究称，碳量子点表面发射能量阱的量子限域效应是碳量子点荧光的主要原因，且高荧光量子产率通常由小尺寸的碳量子点获得，与碳量子点表面缺陷无关[41]。此外，荧光可以通过改变参数进行调变[42]，例如荧光发射波长会随激发波长改变。但明确的机理仍有待于进一步探寻。此外，碳量子点在钝化后发光强度会增强，这是因为钝化使碳量子点表面的能量带隙得到稳定，所以更容易被激发[22]。

如图6所示，当激发波长从290nm增长到450nm时，碳量子点的最大发射峰呈现415～540nm的变化，这表明碳量子点具有一定的激发波长依赖性。除了激发波长外，碳量子点的尺寸、表面性质、温度、溶液的pH、表面官能团都是影响荧光性能的关键因素。随着碳纳米颗粒粒径的增大，其共轭结构增加，荧光波长增大，荧光颜色同时发生红移[20]。而随着碳量子点浓度的减小，吸收光谱则会发生蓝移[44]。此外，碳量子点的激发范围较宽且连续，可实现一元激发和多元发射[5]，这一特性打破了传统碳量子点发射波长范围较窄、近红外区激发不明显的局限。

图6 碳量子点激发波长依赖性[43]

碳量子点的表面性质对其荧光性能具有一定的影响。表面性质，即碳量子点表面存在能量势阱，经表面修饰后，荧光量子产率得到提高。SUN等[5]认为碳量子点表面存在的缺陷，经有机物钝化后会形成了激子能量势阱，导致辐射复合的发生。因此碳量子点表面态的变化是影响碳量子点荧光性质的重要因素。

碳量子点具有pH依赖性，即碳量子点的荧光强度与溶液pH有关，但是不同条件下制备的碳量子点对于溶液pH的响应却是大不相同的。SHEN等[37]制备的碳量子点在中性环境中荧光最强，当pH增加或者减少荧光都会减弱。PAN等[38]研究制备的碳量子点在溶液pH在1～13变化时，荧光强度也随之快速变化，而且在碱性环境中出现强荧光效应，在酸性条件下发生猝灭。HU等[42]研究发现他们制备的碳量子点其荧光具有pH可逆性，当pH高于或者低于4.5时荧光强度均会下降。

3.2.3 上转换荧光

上转换荧光（up-conversion photo- luminescence，UCPL）如图7所示，是一种反斯托克斯现象，即光子的发射能量高于光子的激发能量，在长波长激发光的激发下，体系发出短波长光的现象。对于碳量子点上转换荧光性质的机理解释还没有定论，其中JIA等[35]认为，碳量子点同时吸收两个或多个光子，使其在较激发波长更短的波长处吸收光，产生上转换荧光。SHEN等[37]制备的碳量子点，随着激发光波长从600～800nm增长，上转换发光波长呈现了从390～468nm的增长，证实了反斯托克斯发光导致了碳量子点的上转换发光。

WANG等[36]对碳量子点进行了氮掺杂，与没有掺杂的碳量子点相比较，掺氮后的碳量子点因碳环中的氮原子增大分子内的电子转移速率，所以双光子剖面增大，可应用于染料敏感太阳能电池中的有机染料的替代、近红外光能量的捕获等。掺氮的碳量子点在近红外区域具有较高的能量上转换性能，因此在碳量子点敏化的太阳能电池领域具有较好发展前景。此外，由于红外区域包含53%的太阳能，因此掺氮碳量子点可作为一种聚光材料和其他光敏材料串联使用，吸收互补波长范围内的光，实现更高能量转化率。

3.2.4 电化学发光

图7 碳量子点的上转换荧光性质[15]

碳量子点的电化学发光技术因敏感度较高、设备费用较低、线性范围较宽，在量子点研究中得到广泛的应用。碳量子点的电化学发光与硅的纳米晶体发光类似[45]，其机理是在电势循环中产生氧化态和还原态的碳量子点，使两个带有相反电荷的物质产生电荷湮灭，形成碳量子点的激发态，最后激发态的碳量子点通过辐射光子回到基态[46]。阴极的电化学发光密度通常大于阳极，这表明还原态的碳量子点比氧化态的碳量子点更稳定。WANG等[47]通过碱还原反应，将硝酸银附着在碳量子点表面，以电化学荧光发射为输出信号进行生物传感，其原理是利用Ag+对S2-的影响，通过调变碳量子点电化学发光性能检测 S2–。

3.3 高生物相容性与低细胞毒性

传统半导体量子点在制备过程中需使用重金属，所以即使在浓度很低的情况下仍具有较大毒性。碳量子点作为一种新型的碳纳米材料，在制备的过程中不涉及重金属的使用，更有一些研究直接从食物饮料中提取碳量子点，如蛋清、冬瓜等[48]。此外，碳材料的化学惰性较高，因此碳量子点具有较高的生物相容性和较低的细胞毒性。

4 应用

4.1 生物成像

4.1.1 体外成像

体外成像，即在受控和人造的环境中，对细胞、组织、器官进行生物分子成像。

CAO等[49]最早报道了碳量子点可用于生物成像，他们用聚N-丙酰基乙基酰亚胺-乙烯亚胺（PPEI-EI，EI约占20%）来钝化合成碳量子点。将获得的碳量子点缓冲液加入培养基，并将人乳腺癌MCF-7细胞接种其中，在37℃下培养，2h后洗去碳量子点。如图8所示，在800nm的激光脉冲激发下，细胞膜与细胞质均产生荧光效应，该现象表明碳量子点可以标记MCF-7细胞的细胞膜和细胞质。

RAY等[25]将通过蜡烛烟灰氧化分离制备的碳量子点加入培养基中，再接种EACs细胞，并将标记的细胞分离。结果证明酸氧化后未经表面钝化的碳量子点可以穿过细胞膜进入细胞。JAISWAL等[50]将微波处理、钝化得到的碳量子点加入培养基中，再接种结肠癌HT29细胞，在荧光显微镜下，被标记的HT29细胞被紫外光激发后呈现蓝色荧光。

图8 碳量子点标记的MCF-7细胞的荧光效应[49]

4.1.2 体内成像

体内成像，即对活的有机体内的细胞、组织、器官进行生物分子成像。

YANG等[51]将PEG功能化的碳量子点分别经皮下（背部）、皮内（前下肢）和静脉3种方式注射到小鼠体内，如图9所示，在共聚焦显微镜下，小鼠体内的碳量子点在470nm和545nm波长光照射下均显示荧光效应，且荧光效果稳定，24h后仍可在小鼠腋窝淋巴结处检测到荧光，最终碳量子点由尿液排出。在整个实验过程中，小鼠状态良好，没有表现任何急性毒性症状。

HUANG等[52]将碳量子点直接喂食给斑马鱼，在共聚焦显微镜下，斑马鱼体内的碳量子点在不同波长激发光下，发出不同颜色的荧光。在实验过程中，斑马鱼状态良好，没有出现中毒现象。

图9 碳量子点的静脉注射[51]

4.2 生物传感与分析检测

碳量子点因稳定性高、毒性低、水溶性好等特性，成为化学传感领域的一种新兴材料。碳量子点可以进行不同离子和分子的检测，如Fe2+[53]、Fe3+[54]、Hg2+[13]、Cl-[55]等。ZHOU等[13]利用Hg2+对碳量子点的猝灭，实现了Hg2+的检测。此外，利用生物硫醇基与Hg2+形成Hg2+—S键，实现了碳量子点与Hg2+的分离与碳量子点荧光性能的恢复，通过该方法也实现了生物硫醇的检测。LIU等[56]利用ATP对Fe3+的强配位作用，实现了谷胱甘肽功能化碳量子点与Fe3+的分离与ATP的检测。利用相似的原理，功能化碳量子点也可实现葡萄糖的检测。

4.3 光催化

光催化，即利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，实现催化作用[57]。因为碳量子点具有较好的上转换发光和半导体性质，所以尺寸可控的碳量子点可以表现出从近红外到紫外区的变化，进而在光催化领域实现重要应用。碳量子点主要通过增强光吸收与界面电子的转移，实现光催化能力的增强[16]。WANG等[11]对混有碳量子点的硝酸银水溶液发射激发光，通过测算银表面因为还原Ag+产生的等离子吸收峰，证实Ag的生成。LI等[15]将电化学法制备的碳量子点与二氧化钛或二氧化硅复合，利用碳量子点上转换发出325～425nm的短波光，激发二氧化钛或二氧化硅形成电子-空穴对，吸收氧化剂或还原剂产生活性氧自由基[17]，因此可应用于光降解亚甲基蓝等有机染料。此外，有研究表明，碳量子点的存在会增加光催化剂的稳定性[58]。

4.4 电催化

获得高活性的氧还原催化剂是实现燃料电池商业化的关键[59]。碳量子点作为电子受体，当其掺杂到固相载体或者自身进行掺杂修饰时，可以大幅度提高电子转移效率，提高材料的电催化活性。ZHU等[60]以豆奶为原料，通过热解法制备出的碳量子点应用于氧气还原反应时，显示出了较好的电催化活性。LIU等[61]对碳量子点进行了磷和氨基的掺杂，掺杂后的碳量子点显示出了较好的ORR和OER催化活性，在光照条件下，其催化活性比商业化催化剂Pt/C高13%，比IrO2/C高17.7%。

5 结论与展望

自2004年碳量子点首次发现以来，它一直是纳米材料领域一个备受关注的材料，国内外学者研发出了很多简单、低耗、有效的合成方法，近年来更是掀起了以天然物质为碳源制备碳量子点的热潮，如冬瓜、蛋清、壳聚糖等。现阶段还需进一步研发廉价、可再生的碳源，探究碳量子点的发光机理，提高量子产率，不断地挖掘碳量子点的物理化学性能，扩大其应用面。碳量子点可以进行表面功能化修饰，与适当元素掺杂，因此碳量子点在电池、光催化、光伏方面应用前景较好。碳量子点的发光机理如果得到进一步明确，则其在光电催化、生物成像、药物运输等方面的应用性能将会大幅度提升，得到更为广泛的应用。

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Carbon quantum dots: synthesis，properties and applications

GAO Xue1，2，SUN Jing1，2，LIU Xiao1，2，WANG Hua1，2，HAN Jinyu1，2
（1School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China;2Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education，Tianjin 300072，China）

As a kind of burgeoning carbon nanomaterials，carbon quantum dots have attracted much research attention in recent years，especially those prepared by using natural substances as the origin of carbon. In this review，various synthesis methods of carbon quantum dots were introduced based on the latest research progress，including top-down approach and bottom-up approach. In addition，we summarized the typical characterization methods for carbon dots，such as TEM，Raman spectrum，fluorescence spectrum，ultraviolet-visible spectrum，X-ray diffraction，and nuclear magnetic resonance. The properties of carbon quantum dots and their applications in bioimaging，biological sensing and detection as well as photocatalysis are also introduced. Finally，the future development of carbon quantum dots in photocatalysis and electrocatalysis are forecasted.

carbon-quantum-dots；synthetic approaches；photoluminescene；bioimaging；photocatalysis

O613.71

：A

：1000–6613（2017）05–1734–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.023

2016-10-08；修改稿日期：2017-01-10。

天津市自然科学基金青年项目（16JCQNJC06200）。

高雪（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为纳米材料与电化学。联系人：刘晓，讲师，主要研究方向为有机无机杂化多孔材料、分子光催化剂等。E-mail：liuxiao71@tju.edu.cn。