經(jīng)過對石墨烯的發(fā)現(xiàn)進行了開創(chuàng)性的研究之后,人們開始對各種石墨烯衍生物的合成進行了更為深入的探究。
石墨烯衍生物可以根據(jù)其尺寸來進行分類,如零維(石墨烯量子點)、一維(石墨烯納米帶)和三維(石墨烯泡沫)。本篇技術(shù)文章將重點闡明零維材料——石墨烯量子點的合成。
什么是石墨烯量子點
石墨烯有著廣泛的應(yīng)用前景,但由于其零帶隙特性、在水中的低分散性和低光譜吸收,它無法在光電子、生物成像、半導(dǎo)體等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此,制備石墨烯量子點(GQDs)是調(diào)節(jié)石墨烯帶隙并將其應(yīng)用于納米器件的有效方法。
當(dāng)石墨烯薄片的橫向尺寸降低到納米尺度時,它們就變成了GQDs,零維(0D)材料,由不超過五層的石墨烯薄片組成。大多數(shù)GQD的形狀是圓形或橢圓形的,雖然也有三角形和六邊形的點。
石墨烯量子點(GQDs)vs石墨烯
GQDs中由于量子限制效應(yīng)而以尺寸依賴的方式打開能帶,這是GQDs與石墨烯之間產(chǎn)生明確邊界的顯著差異之一,能帶寬度隨著量子點尺寸的減小而增大。大多數(shù)GQD的帶隙介于2.2~3.1 eV之間,具有綠色或藍色熒光。
研究發(fā)現(xiàn),與石墨烯相比,GQDs具有非常大的比表面積和極小的尺寸,邊緣可容納更多的活性位點(如官能團、摻雜劑等),因此更容易分散在水中。同時,其也具有低毒性、良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性、穩(wěn)定的光致發(fā)光和寬光譜范圍的熒光發(fā)射等其他顯著特點。由于這些獨特的性質(zhì),GQDs被認為是一種先進的多功能材料,具有廣泛的應(yīng)用范圍,包括癌癥治療、太陽能電池、生物傳感器、LED和光探測器等。
GQD的合成可以被分為兩類:自上而下的和自下而上的制備技術(shù)。
石墨烯量子點自上而下的合成方法
采用塊狀石墨化碳材料(如MWCNTs、石墨烯、石墨、氧化石墨烯、煤等)作為前驅(qū)體。碳前驅(qū)體在反應(yīng)過程中會被剝離,并通過化學(xué)、熱或物理過程切割成所需的GQDs。自上而下的合成過程采用了氧化/還原切割、脈沖激光燒蝕(PLA)和電化學(xué)切割等技術(shù)。
采用還原性/氧化切割技術(shù)合成石墨烯量子點,主要是利用強還原性或氧化劑作為剪刀切割氧化石墨烯或石墨烯片。盡管如此,這個過程通常被描述為需要用到有毒的化學(xué)物質(zhì)和大量的提純步驟;然而,也有一些例外情況下可以使用環(huán)境安全的氧化劑,如H2O2,在無需任何純化的情況下,產(chǎn)率可以達到77%以上。
結(jié)果表明,在電化學(xué)切割過程中,施加電勢會導(dǎo)致帶電離子進入前驅(qū)體的石墨層。例如,研究人員報告了通過使用一個簡單的電化學(xué)剝離裝置合成平均尺寸為2-3納米的GQDs,該裝置由兩個石墨棒作為電極,檸檬酸和水中的氫氧化鈉作為電解質(zhì)。該方法還具有出色的功能化和摻雜GQDs的能力。
另一種有趣的自上而下的合成方法是PLA方法,它使用聚焦激光束以石墨薄片為原料合成GQDs。該技術(shù)不需要強酸性化學(xué)物質(zhì),為GQDs的研究提供了一條可行且環(huán)保的途徑。該方法可以用于合成大小一致的GQDs。
石墨烯量子點自下而上的合成方法
自下而上的方法,而非自上而下的方法,是采用融合更小的前體分子(如檸檬酸,葡萄糖等)來得到GQDs。與自上而下的策略相比,自下而上的方法具有缺陷少、尺寸和形貌可調(diào)的優(yōu)點。最著名的自下而上合成路線是通過微波輔助、水浴加熱,逐步進行有機合成和軟質(zhì)模板的制備。
典型的案例有,檸檬酸和氨基酸已被報道通過水熱法合成GQD。在這種技術(shù)中,通過將前驅(qū)體裝入高壓釜,在特定的時間和規(guī)定的溫度下對檸檬酸進行水熱反應(yīng)來完成制備。這種技術(shù)簡化了在GQD結(jié)構(gòu)中引入硫和氮等雜原子摻雜的過程。例如,有報道稱使用檸檬酸和乙二胺摻氮GQDs(N-GQDs)的尺寸為5-10 納米。
水熱過程通常需要幾個小時,這使得它不適合在工業(yè)規(guī)模上合成GQD。利用微波輔助的加熱的方法是一種較為完善的補救措施。通過采用微波加熱法,可以將GQDs增長所需的時間縮短到幾分鐘甚至幾秒。
與合成石墨烯量子點相關(guān)的挑戰(zhàn)
尺寸可控的單晶GQDs由于其合成過程的精度有限,目前還沒有被直接觀察到其生成的過程。此外,GQDs用于工業(yè)和學(xué)術(shù)研究的主要限制是其較低的產(chǎn)量和極高的制備成本。
目前,已有的自上而下或自下而上的GQD合成方法的產(chǎn)率大多低于30%,這些方法還需要昂貴和耗時的純化操作,這大大提高了GQDs的最終成本。因此,未來的研究方向應(yīng)著眼于提高產(chǎn)率和簡化純化過程,使GQDs的工業(yè)應(yīng)用具備更高的經(jīng)濟效益。
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