石墨烯量子点:属性、合成及应用


 碳与石墨烯量子点简介

胶体半导体量子点(QD)因其独特的尺寸-光电特性相关性而在太阳能电池、发光二极管、生物成像、电子显示器以及其他光电设备中具有诸多潜在应用,因而也引起了众多研究兴趣。

然而由于高达数千美元每克的市场售价,无机QD在工业中的应用缓慢而狭小。此外,其高毒性也成为了应用开发的绊脚石。作为一种高性价比的有前景替代品,碳量子点(CD、CQD或C-dot)及石墨烯量子点(GQD)近年来也作为一种新型QD材料而兴起。CD及GQD具有无毒性、良好溶解性、稳定的光激发光以及更好的表面接枝属性等优势,使之成为替代无机QD的有前景候选者。此外,近期关于煤及其他碳源的一步法GQD克级合成也开创了其大规模工业生产的新途径。


 石墨烯量子点的合成:

之前的GQD合成方法涉及高成本材料(如石墨1或光子水晶2)、较低的产量以及高成本的方法(如激光烧蚀、3电子束光刻4或电化学合成)。5这些因素都导致GQD几乎无法投入商业应用。最近的研究报道了从相对较为廉价的有机来源,如柠檬酸或尿素中进行GQD的制备6,有利于降低生产成本并扩大生产规模。不过,从煤(已知最为廉价的材料)中进行GQD合成7提高了未来将GQD商品化的可能性。由于其低生产成本,煤制GQD适用于大规模工业应用并可能成功地作为传统无机量子点的一种高性价比、绿色环保的替代品。

在一种典型的专利工艺中,将煤搅拌至浓硝酸中并在100o-120oC加热数小时。溶液冷却后蒸发回收硝酸。随后通过错流超滤来过滤GQD。纯化后,溶液使用旋转蒸发进行浓缩以获取固体GQD。


 GQD表征

通过控制生产工艺的参数,如原材料、温度以及反应时间可生产各种的高质量GQD。

图1展示了源自蓝色发光GQD (货号900708)的具有代表性的光学及TEM图像。这些图像表明GQD在水中可形成一种半透明且稳定的悬浮液,并通常具有直径<5 nm以及1-2.0 nm高度的圆盘形状结构。
 

蓝色发光GQD的代表性光学及TEM图像。

 

图1.蓝色发光GQD的代表性光学及TEM图像。(a) 1升浓缩GQD悬浮液的光学图像。(b) 稀释的GQD悬浮液在可见光(左)以及365nm紫外光(右)下的光学图像。(c)  插图:GQD的HR-TEM图像。

图2展示了GQD的典型光致发光(PL)及UV-VIS属性,而我们预制产品的GQD PL属性总结于表1中

 

GQD的UV-VIS属性。

图2.GQD的UV-VIS属性。(a) GQD的激发及发射等高线图。(b) 在350nm激发的GQD光致发光发射。(c) GQD的吸收光谱。

表1.GQD的光致发光属性

 

  蓝紫色 蓝色(900708, 900726) 蓝绿色(900707) 水绿色(900712, 900713)
量子效率(%) >70 >70 >30 >35
最大激发波长(nm) 320 350 420 485
最大发射波长(nm) 404 445 490 525


 GQD的应用

不同于传统QD,GQD具有生物兼容性、光稳定性以及增强的表面接枝属性,并继承了石墨烯一流的热、电及机械属性。这些特点都极大的促进了多种先进的应用,包括:

  • 用于安全、防伪、品牌保护应用的标签8
  • 生物成像标志物9
  • 荧光聚合物10
  • 抗菌,11 抗生物淤积12及抗感染系统.13
  • 重金属,14 湿度及压力传感器15
  • 电池16
  • 闪存设备17
  • 光伏器件18
  • 发光二极管19

 总结

由于GQD不易获取,其应用目前仍然尚在开发之中。而从煤合成GQD实现了在更大规模的高质量生产,前景广阔。为科学领域提供更多高质量的GQD,将有助于促进对其独特属性更为深入的研究并加速新应用的开发。


 材料


 参考文献

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