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一文了解石墨烯量子点性能、合成及应用

发布日期:2019/10/17 10:37:53

石墨烯量子点(GQDs)是指石墨烯片层尺寸在100nm以内 ,片层层数在10层以下的一种新兴碳质荧光材料。通常来讲,石墨烯量子点包含了石墨烯量子点、氧化石墨烯量子点、部分还原的氧化石墨烯量子点的一大类结构类似性能相同的碳质荧光材料及其衍生物的总称。

石墨烯量子点的性能

石墨烯量子点的紫外吸收性能

由于石墨烯量子点中的C=C双键结构,能够发生π-π跃迁,因此它能够在短波长范围内大量吸收光子。通常来说,会在紫外吸收谱260-320nm范围内显示出较强的吸收峰,并伴随延伸至可见光范围的拖尾。同时,由于n-π跃迁的影响,石墨烯量子点还有可能在270-390nm范围内出现肩峰。并且,由于表面修饰官能团和表面钝化的影响,紫外吸收峰的位置和峰形均会受到影响。

石墨烯量子点的光致发光性能

石墨烯量子点的发光性能是其最重要的性能,也是被研究人员研究最广泛和最贴近实际应用的性能。相比于球状的碳量子点来说,片层状结构的石墨烯量子点具有更加规整的晶状结构,因而会有更高的荧光量子产率。

石墨烯量子点的合成

石墨烯量子点的制备有自上而下和自下而上两种方法。

自上而下合成

自上而下的方法是指经过物理或化学方法将大尺寸的物质刻蚀成纳米尺寸的石墨烯量子点,有溶剂热法、电化学和化学剥离等制备路径。

溶剂热法是制备石墨烯量子点中许多方法中的一种方法,其工艺可以分三步:首先将氧化石墨烯在真空状态下通过高温还原成石墨烯纳米片;在浓硫酸和浓硝酸中氧化并切割石墨烯纳米片;最后将氧化后的石墨烯纳米片在溶剂热环境下还原并形成石墨烯量子点。
电化学法制备石墨烯量子点工艺的工艺过程可总结为三个阶段:第一阶段是石墨即将剥落形成石墨烯的诱导期,电解液的颜色开始从无色到黄色再到暗棕色的变化过程;第二阶段是阳极的石墨发生明显膨胀;第三阶段是石墨片已经从阳极剥落,与电解液一起形成黑色的溶液。在第二和第三阶段中发现烧杯底部有沉淀物体。电化学反应中有水与离子液体中阴离子的相互作用,因此产物的形状和尺寸分布可以通过改变水和离子液体的比例来调节。离子浓度大的电解液比浓度小的电解液制备出的量子点的尺寸大。

化学剥离碳纤维法则是将碳源经过化学反应而层层剥离制得石墨烯量子点。Peng等以树脂基碳纤维作为碳源,再将在纤维中堆垛的石墨经过酸处理进行剥离。只需一步就能得到的石墨烯量子点,然而它们的粒径不均一。

自下而上合成

自下而上的措施则是指以较小的构造单元作为前体经过一系列互相作用力制备成石墨烯量子点,主要有溶液化学法、超声波和微波法等制备路径。

溶液化学法主要是通过芳基氧化缩合的溶液相化学方法制备石墨烯量子点。合成过程是用小分子(3-碘-4溴苯胺或其他苯衍生物)聚合物逐渐缩合反应制备得到聚苯树突状前驱体,再通过氧化反应制备得到石墨烯基,最后再经刻蚀制备得到石墨烯量子点。
微波法则采用糖类(如葡萄糖、果糖等)为碳源,原因在于糖类脱水后能形成C=C从而能构成石墨烯量子点的基本骨架单元。羟基、羧基中的氢和氧元素会在水热环境中脱水除去,而剩余的官能团则仍然结和在石墨烯量子点的表面,它们作为“钝化层”而存在,这样可以使石墨烯量子点具有很好的水溶性和荧光性质。

GQDs的实际应用

石墨烯量子点在生物、医药、新型半导体器件等范畴具备重要潜在应用。能实现单分子传感器,也可能催生超小型晶体管或是使用半导体激光器所进行的芯片上通讯用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等等。

在生物传感器中的应用

Zhao等研发了一种新型通用信号传导设备,就是利用石墨烯与石墨烯量子点之间的发光能量共振转移导致荧光淬灭来灵敏地检测人免疫球蛋白G(HIgG)。

在生物成像技术中的应用

石墨烯量子点在生物医药运用的研究,是基于大量报道是关于因石墨烯具有大的比表面积故可以用作生物传感器。而石墨烯量子点不仅具有稳定光致发光、生物毒性低和好的生物相容性等性质,使其能成为很好的生物成像探针。

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2019-10-17
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