照明与显示技术的持续发展非常依赖新型发光材料的创新与应用。荧光碳点（CDs）凭借环境友好、可溶液加工、发射光谱可调以及高光致发光量子产率等优势，在下一代固态照明和平板显示领域展现出广阔的应用前景。CDs可采用水热法制备，具有优异的水溶性和醇溶性。然而，由于缺乏合适的醇溶主体材料，水/醇溶CDs至今尚未实现电致发光。目前的研究大多采用溶剂热法制备油溶CDs，以适配有机发光二极管（OLEDs）领域已开发的主体材料，并采用卤代有机溶剂构筑电致发光器件。这不可避免地牺牲了CDs本身的水/醇溶优势，限制了其性能发挥和绿色加工潜力。领域亟待开发兼具优异电荷传输能力和绿色加工特性的醇溶主体材料。
针对这一挑战，北京化工大学谭占鳌教授团队首次设计并合成了一种全新的醇溶双极主体材料。该材料通过向咔唑-三嗪骨架中引入亚磷酸二乙酯（DEP）极性基团，这一分子设计增强了DEP中羰基与咔唑单元之间的π共轭作用，有利于分子内电荷转移，从而提升2PCT的电荷传输能力。此外，DEP是一种具有较大空间位阻的强极性基团，其引入不仅削弱了2PCT分子间的相互作用，还显著提高了分子的整体极性，使2PCT能够在醇类等高极性溶剂中进行溶液加工。
图1. 分子设计、合成及理论计算。（a）2PCT的设计合成路线,（b）合成成本对比,（c）1H NMR揭示的电子密度变化,（d）静电势与偶极矩分析,（e）前线轨道分布图,（f）基于Hirshfeld分区的独立梯度模型分析。
通过巧妙设计合成路线，2PCT仅需四步反应即可获得，总合成成本仅为3.2美元/克，显著低于传统CDs基LEDs所采用的主体材料，展现出良好的商业化应用前景。理论计算和实验结果表明，DEP基团的引入增大了2PCT的偶极矩，促使其静电势重新分布，从而增强了分子的极性及其与醇类溶剂之间的氢键作用，使2PCT在乙醇中的溶解度高达273.2 mg mL−1。此外，DEP基团还拓宽了2PCT的带隙，有利于其与水醇溶CDs之间的能量转移。同时，作为具有柔性侧链的大位阻基团，DEP能够有效削弱2PCT分子间的π–π相互作用，使所得薄膜具有极低的表面粗糙度（Rq < 1 nm），从而为抑制水醇溶CDs聚集提供了理想的主体基质。
本研究基于醇溶主体材料2PCT构筑出多色（绿、黄和红）CDs基LEDs，成功解决了水/醇溶CDs无法电致发光的难题。绿光、黄光和红光LEDs均展现出优异的器件性能，最大亮度（Lmax）分别高达8373、8401和12287 cd m−2，最高电流效率分别为6.41、13.04和6.73 cd A−1。其中红光器件的Lmax刷新了当前红光CDs基LEDs的纪录，而黄光器件的启亮电压低至2.2 V，是目前已知CDs电致LEDs的最低值。此外，利用2PCT优异的醇溶液可加工性，该研究首次在空气环境中采用乙醇溶液刮涂工艺，成功制备了发光面积为16 cm2的亮黄色发光器件，实现了大面积、均匀且稳定的发光。
图2. CDs基LEDs的电致发光性能。（a）多色EL光谱；（b）电流效率-电流密度曲线；（c）关键性能参数统计；（d-f）稳定性测试下的EL光谱演化；（g）刮涂法制备大面积器件示意图；（h）16 cm2大面积黄光器件在空气环境中点亮示意图。
综上所述，本研究开发了一种具有双极电荷传输能力的醇溶性主体材料，并且成功构筑水/醇溶CDs电致发光器件。该研究成果以“Aqueous/alcohol-soluble carbon dot light-emitting diodes”为题发表在《Advanced Materials》上。第一作者为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心博士生沙世豪，通讯作者为北京化工大学材料科学与工程学院于润楠副教授和高精尖中心谭占鳌教授。该研究工作得到了国家重点研发计划（2023YFB3611800）的资助。
文章信息：Shihao Sha, Qirui Hou, Zongzhi Yang, Biao Zhao, Qianglong Lv, Zhuoxu Liu, Yizhao Qing, Huanyu Ma, Chen Zhang, Bing Han, Runnan Yu*, Zhan’aoTan*, Aqueous/alcohol-soluble carbon dot light-emitting diodes. Adv. Mater. 2026, e73773.
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.73773
