Graphene Quantum Dots: Tính chất, tổng hợp & ứng dụng

Introduction to Carbon and Graphene Quantum Dots (ấn bản 2)

Các chấm lượng tử bán dẫn keo (QDs) có nhiều ứng dụng tiềm năng trong pin mặt trời, các điốt phát ra ánh sáng, hình ảnh sinh học, màn hình điện tử và các thiết bị quang điện khác do các tính chất điện quang phụ thuộc kích thước độc đáo của chúng, và do đó đã được quan tâm nghiên cứu đáng kể.

Tuy nhiên, do chi phí thị trường cao của QD vô cơ, theo lệnh hàng ngàn đô la Mỹ mỗi gram, việc sử dụng công nghiệp của họ đã chậm và hạn chế. Ngoài ra, phát triển ứng dụng đã bị cản trở bởi độc tính cao của QD vô cơ. Như một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí, các chấm lượng tử carbon (CD, CQD hoặc C-chấm) và các chấm lượng tử graphene (GQD) gần đây đã nổi lên như một lớp mới của vật liệu QD. CD và GQD có ưu điểm của không độc tính, độ hòa tan tốt, phát quang ổn định và ghép bề mặt tốt hơn, do đó làm cho chúng có triển vọng thay thế QD vô cơ. Hơn nữa, việc phát hiện gần đây về một tổng hợp đa gram một bước của GQD từ than và các nguồn carbon khác mở ra khả năng sản xuất công nghiệp quy mô lớn của họ.

Synthesis of Graphene Quantum Dots (bằng tiếng Anh)

Các phương pháp tổng hợp GQD trước đây liên quan đến nguyên liệu thô giá cao như graphene 1or tinh thể quang tử 2and phương pháp năng suất và đắt tiền tương đối thấp như cắt bỏ laser, in li-tô chùm 3electron, tổng hợp điện hóa 4or.⁵ Những yếu tố này khiến GQD hầu như không khả dụng cho các ứng dụng thương mại. Nghiên cứu gần đây hơn, báo cáo việc chuẩn bị GQD từ các nguồn hữu cơ khá rẻ như axit citric / urê 6that cung cấp giảm chi phí sản phẩm và tính sẵn có trên quy mô lớn hơn. Tuy nhiên, việc tổng hợp GQD từ than⁷ (vật liệu ít tốn kém nhất được biết đến) làm tăng khả năng sử dụng GQD trong các sản phẩm thương mại trong tương lai. Do chi phí sản xuất thấp, các GQD có nguồn gốc than là khả thi cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn và có thể được sử dụng thành công như một sự thay thế hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường cho các chấm lượng tử vô cơ thông thường.

Trong một quá trình được cấp bằng sáng chế điển hình, than được khuấy trong axit nitric đậm đặc và đun nóng ở mức 10^0o-12 ^0oC trong vài giờ. Dung dịch được làm mát, và axit nitric được làm bay hơi và tái sử dụng. Các GQD sau đó được lọc bằng cách sử dụng quá trình lọc siêu dòng chảy chéo. Sau khi lọc, dung dịch được tập trung bằng cách sử dụng bay hơi quay để thu được GQD rắn.

Mô tả đặc điểm của GQD

Một loạt các GQD chất lượng cao có thể được sản xuất bằng cách kiểm soát các thông số quy trình sản xuất như nguyên liệu thô, nhiệt độ và thời gian phản ứng.

Hình  1show hình ảnh quang học và hình ảnh TEM đại diện cho GQD phát sáng màu xanh lam (Sản phẩm số 900708). Những hình ảnh này cho thấy các GQD tạo thành một hệ thống treo trong mờ và ổn định trong nước, và thường thể hiện các cấu trúc hình đĩa với đường kính <5 nm với chiều cao địa hình là 1–2,0 nm.

Hình 1. Hình ảnh quang học và TEM đại diện của các GQD phát quang màu xanh lam. (A) Hình ảnh quang học của hệ thống treo GQD tập trung 1 lít. (b) Hình ảnh quang học của hệ thống treo GQD pha loãng dưới dạng nhìn thấy (trái) và 365nm tia cực tím (phải). (c) Hình ảnh TEM điển hình của GQD. Thiết lập sẵn: Hình ảnh HR-TEM của GQD.

Các tính chất phát quang điển hình (PL) và UV-VIS của GQDs (Hình 2) và tính chất PL của GQD được cung cấp trong catalog của chúng tôi (Bảng 1).

Hình 2. Thuộc tính UV-VIS của GQD. (A) Bản đồ đường viền kích thích và phát xạ của GQD. (b) Phát xạ quang GQD kích thích ở mức 350nm. (c) Phổ hấp thụ của GQD.

Ứng dụng của GQD

Trái ngược với QD cổ điển, GQD tương thích sinh học, ổn định hình ảnh, với ghép bề mặt tăng cường và thừa kế các đặc tính nhiệt, điện và cơ khí vượt trội từ graphene. Những tính năng này có thể đóng góp rất nhiều cho các ứng dụng hiện đại khác nhau bao gồm:

• Taggants cho các ứng dụng bảo mật/chống giả mạo/bảo vệ thương hiệu⁸
• Bioimgin gmarkers^{9 (bằng tiếng Anh)}
• Polyme huỳnh quang¹⁰
•  Antibiofouling, 11 Antibiofouling¹ 2and Disinfection systems.¹³
  
• Kim loại nặng,¹⁴ Cảm biến độ ẩm và áp suất¹⁵
• ^{Pin 16}
• Thiết bị bộ nhớ flash¹⁷
• Thiết bị quang điện¹⁸
• Đi-ốt phát sáng¹⁹

Tóm tắt

Do sự sẵn có hạn chế của GQD, các ứng dụng liên quan đến chúng vẫn đang được phát triển và đến cuối này, việc tổng hợp các GQD từ than dường như hứa hẹn vì nó cho phép sản xuất vật liệu chất lượng cao ở quy mô lớn hơn. Sự sẵn có của các GQD chất lượng cao với số lượng lớn hơn cho cộng đồng khoa học sẽ giúp thúc đẩy các nghiên cứu chuyên sâu hơn về các thuộc tính độc đáo, cũng như thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng mới.

Tài liệu tham khảo

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