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O/C Ratio‐Driven Fluorescence Enhancement in Cellulose‐Derived Carbon Quantum Dots: Mechanistic Insights into Reaction Pathways

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作者
Yarong Shi,Siyu Zhao,Xiheng Kang,Xinrui Chen,Xue Ou,Meng Nan Chong,Xueping Song,Zhanying Zhang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:12 (47): e10577-e10577 被引量:7
标识
DOI:10.1002/advs.202510577
摘要

By regulating cellulose molecular weight through enzymatic hydrolysis to obtain different carbon precursors, three types of carbon quantum dots (CQDs) are synthesized via hydrothermal methods: cellulose enzyme-hydrolyzed solids-based carbon quantum dots (CES-CQDs), cellulose enzyme-hydrolyzed mixtures-based carbon quantum dots (CEM-CQDs), and cellulose hydrothermal degradation products-based carbon quantum dots (CHD-CQDs). By controlling the molecular weight of the cellulose precursor, the O/C ratio of the CQDs is systematically modulated from 0.25 to 0.61, resulting in a more than five-fold increase in fluorescence intensity and an approximately seven-fold improvement in quantum yield (QY). Density functional theory (DFT) calculations indicate that high O/C ratio enhances oscillator strength, thereby boosting fluorescence. Through a combination of experimental and density functional theory analyses, the formation mechanisms of cellulose-derived CQDs are revealed to involve: primarily the auto-etherification of 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), concurrently accompanied by esterification reactions between 5-HMF and formic acid (FA), as well as aldol condensation reactions between 5-HMF and levulinic acid (LA). This study elucidates the fundamental relationship between the molecular structure of cellulose precursors and the fluorescence properties of CQDs, providing a universal strategy for rationally designing high-performance luminescent nanomaterials from renewable biomass.
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