Graphene Quantum Dots: คุณสมบัติการสังเคราะห์และการประยุกต์ใช้งาน

บทนำสู่คาร์บอนและแกรฟีนจุดควอนตัม

คอลลอยด์เซมิคอนดักเตอร์จุดควอนตัม (QDs) มีการใช้งานที่มีศักยภาพมากมายในเซลล์แสงอาทิตย์ไดโอดเปล่งแสงการสร้างภาพทางชีวภาพการแสดงผลทางอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆเนื่องจากคุณสมบัติทางแสงไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับขนาดที่เป็นเอกลักษณ์และได้รับความสนใจในการวิจัยอย่างมีนัยสำคัญ

อย่างไรก็ตามเนื่องจากต้นทุนทางการตลาดที่สูงของ QD อนินทรีย์ตามลำดับของพันดอลลาร์สหรัฐต่อกรัมการใช้งานในอุตสาหกรรมของพวกเขาจึงช้าและจำกัด นอกจากนี้การพัฒนาแอปพลิเคชันยังถูกขัดขวางโดยความเป็นพิษสูงของ QD อนินทรีย์ ในฐานะที่เป็นทางเลือกที่คุ้มค่ามีแนวโน้มจุดควอนตัมคาร์บอน (ซีดี CQD หรือ C-dots) และจุดควอนตัมกราฟีน (GQDs) ได้กลายเป็นวัสดุชั้นใหม่ของ QD ซีดีและ GQD มีข้อดีของการไม่เป็นพิษความสามารถในการละลายได้ดีการเรืองแสงที่มั่นคงและการปลูกถ่ายพื้นผิวที่ดีขึ้นทำให้พวกเขามีแนวโน้มที่จะเป็นผู้สมัครสำหรับการเปลี่ยน QD อนินทรีย์ ยิ่งไปกว่านั้นการค้นพบการสังเคราะห์ GQD แบบหลายขั้นตอนจากถ่านหินและแหล่งคาร์บอนอื่นๆในครั้งล่าสุดยังเปิดโอกาสให้มีการผลิตในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

การสังเคราะห์จุดควอนตัมของแกรฟีน

วิธีการก่อนหน้านี้ของการสังเคราะห์ GQD เกี่ยวข้องกับวัตถุดิบที่มีต้นทุนสูงเช่น คริสตัล graphene 1 หรือ photonic 2 และค่อนข้างให้ผลตอบแทนต่ำและวิธีการที่มีราคาแพงเช่นการระเหยด้วยเลเซอร์,  การทำลวดลายลำแสงอิเล็กตรอน 3 ชิ้น, การสังเคราะห์ทางเคมีด้วยไฟฟ้า 4 หรือ⁵ ปัจจัยเหล่านี้ทำให้ GQD ไม่สามารถใช้งานได้กับการใช้งานเชิงพาณิชย์ การวิจัยล่าสุดรายงานการเตรียม GQD จากแหล่งอินทรีย์ที่ไม่แพงเช่นกรดซิตริก/ยูเรีย 6 ที่มีการลดต้นทุนผลิตภัณฑ์และความพร้อมใช้งานในระดับที่ใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตามการสังเคราะห์ GQD จากถ่านหิน⁷ (วัสดุที่มีราคาแพงน้อยที่สุดที่รู้จัก) จะเพิ่มความเป็นไปได้ในการใช้ GQD ในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ในอนาคต เนื่องจากต้นทุนการผลิตต่ำ GQD ที่ได้จากถ่านหินจึงเป็นไปได้สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่และอาจใช้เป็นทางเลือกที่คุ้มค่าและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสำหรับจุดควอนตัมอนินทรีย์ทั่วไป

ในกระบวนการจดสิทธิบัตรทั่วไปถ่านหินจะถูกกวนในกรดไนตริกเข้มข้นและให้ความร้อนที่ 10^{0 o}-12 ^{0 o}C เป็นเวลาสองสามชั่วโมง สารละลายจะเย็นลงและกรดไนตริกจะระเหยและนำกลับมาใช้ใหม่ จากนั้น GQD จะถูกกรองโดยใช้การกรองแบบไหลข้ามขั้นสูงพิเศษ หลังจากการทำให้บริสุทธิ์สารละลายจะเข้มข้นโดยใช้การระเหยแบบหมุนเพื่อให้ได้ GQD ที่เป็นของแข็ง

การกำหนดลักษณะของ GQD

GQD คุณภาพสูงสามารถผลิตได้หลากหลายโดยการควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการผลิตเช่นวัตถุดิบอุณหภูมิและเวลาในการเกิดปฏิกิริยา

รูปที่  1 แสดง ภาพออปติคอลและเทม ของ GQD เรืองแสงสีฟ้า (หมายเลขผลิตภัณฑ์ 900708) ภาพเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า GQDs เป็นระบบกันสะเทือนแบบโปร่งแสงและเสถียรในน้ำและโดยทั่วไปจะแสดงโครงสร้างรูปดิสก์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง < 5 nm ที่มีความสูงต่ำสุด 1 – 2.0 nm

รูปที่ 1 ภาพออปติคอลตัวแทนและเทมของ GQD เรืองแสงสีฟ้า (A) ภาพออปติคอลของระบบกันสะเทือน GQD แบบรวม 1 ลิตร (B) ภาพออปติคอลของช่วงล่าง GQD ที่เจือจางภายใต้แสง UV ที่มองเห็นได้ (ซ้าย) และ 365 นาโนเมตร (ขวา) (C) ภาพปกติของ GQD แทรก: ภาพ HR-TEM ของ GQD

คุณสมบัติเรืองแสง (PL) และ UV-VIS ทั่วไปของ GQD (รูปที่ 2 และคุณสมบัติ PL ของ GQD ที่นำเสนอในแคตตาล็อกของเรา (ตารางที่ 1)

รูปที่ 2 คุณสมบัติ UV-VIS ของ GQD (A) แผนที่การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าและการปล่อยไอเสียของ GQD (b) การปล่อยแสงของ GQD ตื่นเต้นที่ 350 นาโนเมตร (C) สเปกตรัมการดูดซับของ GQD

การใช้งาน GQD

ในทางตรงกันข้ามกับ QDs แบบคลาสสิก GQDs สามารถเข้ากันได้ทางชีวภาพมีเสถียรภาพในการถ่ายภาพพร้อมการถ่ายภาพพื้นผิวที่ดีขึ้นและได้รับคุณสมบัติทางความร้อนไฟฟ้าและทางกลที่เหนือกว่าจากกราฟีน คุณสมบัติเหล่านี้สามารถนำไปสู่การประยุกต์ใช้งานที่ทันสมัยได้อย่างหลากหลายรวมถึง:

• แท็กสำหรับการรักษาความปลอดภัย/การต่อต้านการปลอมแปลง/การป้องกันแบรนด์⁸
• ไบโอ imagin gmarkers 9
• โพลิเมอร์ฟลูออเรสเซนต์¹⁰
• ต้านเชื้อแบคทีเรีย¹¹ Antibiofouling¹ 2 และระบบฆ่าเชื้อ¹³
  
• โลหะหนัก¹⁴ ความชื้นและเซ็นเซอร์ความดัน¹⁵
• ^{แบตเตอรี่ 16}
• อุปกรณ์หน่วยความจำแฟลช¹⁷
• อุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์¹⁸
• ไดโอดเปล่งแสง¹⁹

สรุป

เนื่องจากความพร้อมใช้งานที่จำกัดของ GQD แอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้องกับพวกเขายังคงได้รับการพัฒนาและด้วยเหตุนี้การสังเคราะห์ GQD จากถ่านหินจึงมีแนวโน้มที่จะช่วยให้การผลิตวัสดุที่มีคุณภาพสูงในระดับที่ใหญ่ขึ้น ความพร้อมใช้งานของ GQD คุณภาพสูงในปริมาณที่มากขึ้นไปยังชุมชนทางวิทยาศาสตร์จะช่วยผลักดันการศึกษาเชิงลึกมากขึ้นของคุณสมบัติที่ไม่ซ้ำกันเช่นเดียวกับการเร่งการพัฒนาของการใช้งานใหม่

ข้อมูลอ้างอิง

1. Pan D, Zhang J, Li Z, Wu M. 2010. Hydrothermal Route for Cutting Graphene Sheets into Blue-Luminescent Graphene Quantum Dots. Adv. Mater.. 22(6):734-738. https://doi.org/10.1002/adma.200902825

2. Guo X, Wang C, Yu Z, Chen L, Chen S. 2012. Facile access to versatile fluorescent carbon dots toward light-emitting diodes. Chem. Commun.. 48(21):2692. https://doi.org/10.1039/c2cc17769b

3. Sun Y, Zhou B, Lin Y, Wang W, Fernando KAS, Pathak P, Meziani MJ, Harruff BA, Wang X, Wang H, et al. 2006. Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence. J. Am. Chem. Soc.. 128(24):7756-7757. https://doi.org/10.1021/ja062677d

4. Li L, Wu G, Yang G, Peng J, Zhao J, Zhu J. 2013. Focusing on luminescent graphene quantum dots: current status and future perspectives. Nanoscale. 5(10):4015. https://doi.org/10.1039/c3nr33849e

5. Li Y, Hu Y, Zhao Y, Shi G, Deng L, Hou Y, Qu L. 2011. An Electrochemical Avenue to Green-Luminescent Graphene Quantum Dots as Potential Electron-Acceptors for Photovoltaics. Adv. Mater.. 23(6):776-780. https://doi.org/10.1002/adma.201003819

6. Li X, Zhang S, Kulinich SA, Liu Y, Zeng H. 2015. Engineering surface states of carbon dots to achieve controllable luminescence for solid-luminescent composites and sensitive Be2+ detection. Sci Rep. 4(1): https://doi.org/10.1038/srep04976

7. Ye R, Xiang C, Lin J, Peng Z, Huang K, Yan Z, Cook NP, Samuel EL, Hwang C, Ruan G, et al. 2013. Coal as an abundant source of graphene quantum dots. Nat Commun. 4(1): https://doi.org/10.1038/ncomms3943

8. Qu S, Wang X, Lu Q, Liu X, Wang L. 2012. A Biocompatible Fluorescent Ink Based on Water-Soluble Luminescent Carbon Nanodots. Angew. Chem.. 124(49):12381-12384. https://doi.org/10.1002/ange.201206791

9. Wang D, Chen J, Dai L. 2015. Recent Advances in Graphene Quantum Dots for Fluorescence Bioimaging from Cells through Tissues to Animals. Part. Part. Syst. Charact.. 32(5):515-523. https://doi.org/10.1002/ppsc.201400219

10. Kovalchuk A, Huang K, Xiang C, Martí AA, Tour JM. 2015. Luminescent Polymer Composite Films Containing Coal-Derived Graphene Quantum Dots. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7(47):26063-26068. https://doi.org/10.1021/acsami.5b06057

11. Meziani MJ, Dong X, Zhu L, Jones LP, LeCroy GE, Yang F, Wang S, Wang P, Zhao Y, Yang L, et al. 2016. Visible-Light-Activated Bactericidal Functions of Carbon ?Quantum? Dots. ACS Appl. Mater. Interfaces. 8(17):10761-10766. https://doi.org/10.1021/acsami.6b01765

12. Zeng Z, Yu D, He Z, Liu J, Xiao F, Zhang Y, Wang R, Bhattacharyya D, Tan TTY. 2016. Graphene Oxide Quantum Dots Covalently Functionalized PVDF Membrane with Significantly-Enhanced Bactericidal and Antibiofouling Performances. Sci Rep. 6(1): https://doi.org/10.1038/srep20142

13. Sun H, Gao N, Dong K, Ren J, Qu X. 2014. Graphene Quantum Dots-Band-Aids Used for Wound Disinfection. ACS Nano. 8(6):6202-6210. https://doi.org/10.1021/nn501640q

14. Ting SL, Ee SJ, Ananthanarayanan A, Leong KC, Chen P. 2015. Graphene quantum dots functionalized gold nanoparticles for sensitive electrochemical detection of heavy metal ions. Electrochimica Acta. 1727-11. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.01.026

15. Sreeprasad TS, Rodriguez AA, Colston J, Graham A, Shishkin E, Pallem V, Berry V. 2013. Electron-Tunneling Modulation in Percolating Network of Graphene Quantum Dots: Fabrication, Phenomenological Understanding, and Humidity/Pressure Sensing Applications. Nano Lett.. 13(4):1757-1763. https://doi.org/10.1021/nl4003443

16. Chao D, Zhu C, Zhang H, Shen ZX, Fan HJ. 2015. Graphene Quantum Dots Anchored VO2 Arrays to Boost the Electrochemical Performance of Li and Na Ion Batteries. https://doi.org/10.1364/oedi.2015.jw3a.22

17. Sin Joo S, Kim J, Seok Kang S, Kim S, Choi S, Won Hwang S. 2014. Graphene-quantum-dot nonvolatile charge-trap flash memories. Nanotechnology. 25(25):255203. https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/25/255203

18. Guo C, Yang H, Sheng Z, Lu Z, Song Q, Li C. Layered Graphene/Quantum Dots for Photovoltaic Devices. Angewandte Chemie. 122(17):3078-3081. https://doi.org/10.1002/ange.200906291

19. Chen Q, Wang C, Chen S. 2013. One-step synthesis of yellow-emitting carbogenic dots toward white light-emitting diodes. J Mater Sci. 48(6):2352-2357. https://doi.org/10.1007/s10853-012-7016-8