Graphenist derzeit eines der beliebtesten Forschungsmaterialien. Es weist viele hervorragende Eigenschaften auf, wie z. B. hohe Leitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, gute mechanische Eigenschaften usw. In letzter Zeit erregen auch Quantenpunkte aus Graphen große Aufmerksamkeit. Graphen-Quantenpunkte gelten als wichtige Materialien für die nächste Generation optischer, elektrischer und Energiespeichergeräte und haben aufgrund ihrer hervorragenden Leistungsvorteile in verschiedenen Anwendungen Aufmerksamkeit erregt. In diesem Artikel werden die Eigenschaften, Synthese und Anwendungen von Graphen-Quantenpunkten vorgestellt.
1. Leistung vonGraphen-Quantenpunkte
Graphen-Quantenpunkte sind ein neuartiges Kohlenstoffmaterial mit einem Durchmesser von typischerweise weniger als 10 Nanometern. Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiter-Quantenpunkten haben Graphen-Quantenpunkte die folgenden Vorteile:
(1) Größenverstellbarkeit: Graphen-Quantenpunkte haben einstellbare Durchmesser. Dadurch können Graphen-Quantenpunkte in verschiedenen Anwendungen verschiedene Eigenschaften und Funktionen aufweisen.
(2) Starke optoelektronische Leistung: Die Bandstruktur von Graphen-Quantenpunkten verleiht ihnen hervorragende optische und elektrische Eigenschaften.
(3) Gute Stabilität: Auf der Oberfläche von Graphen-Quantenpunkten gibt es viele funktionelle Gruppen, die ihre chemischen Oberflächeneigenschaften stabilisieren können.
2. Synthese von Graphen-Quantenpunkten
Es gibt zwei Methoden zur Herstellung von Graphen-Quantenpunkten: Top-Down und Bottom-Up.
Top-Down-Synthese
Der Top-Down-Ansatz bezieht sich auf das physikalische oder chemische Ätzen großformatiger Materialien in nanoskalige Graphen-Quantenpunkte, die durch thermische, elektrochemische und chemische Peelingwege des Lösungsmittels hergestellt werden können.
Die lösungsmittelthermische Methode ist eine der vielen Methoden zur Herstellung von Graphen-Quantenpunkten und ihr Prozess kann in drei Schritte unterteilt werden: Zuerst wird das oxidierte Graphen bei hoher Temperatur im Vakuumzustand zu Graphen-Nanoblättern reduziert; Oxidieren und schneiden Sie Graphen-Nanoblätter in konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure; Schließlich werden die oxidierten Graphen-Nanoblätter in einer thermischen Lösungsmittelumgebung reduziert, um Graphen-Quantenpunkte zu bilden.
Der Prozess der elektrochemischen Herstellung von Graphen-Quantenpunkten lässt sich in drei Phasen zusammenfassen: Die Phase ist die Induktionsperiode, in der sich Graphit ablöst und Graphen bildet und die Farbe des Elektrolyten beginnt, sich von farblos nach gelb und dann nach dunkel zu ändern braun; Die zweite Stufe ist eine deutliche Ausdehnung des Graphits in der Anode; Im dritten Stadium haben sich die Graphitflocken von der Anode gelöst und bilden zusammen mit dem Elektrolyten eine schwarze Lösung. Im zweiten und dritten Stadium wurden Sedimente am Boden des Becherglases gefunden. Bei elektrochemischen Reaktionen kommt es in ionischen Flüssigkeiten zu einer Wechselwirkung zwischen Wasser und Anionen, sodass Form und Größenverteilung der Produkte durch Veränderung des Verhältnisses von Wasser zu ionischen Flüssigkeiten angepasst werden können. Die Größe von Quantenpunkten, die aus Elektrolyten mit hoher Ionenkonzentration hergestellt werden, ist größer als die von Elektrolyten mit niedriger Konzentration.
Das Prinzip der chemischen Exfoliation von Kohlenstofffasern besteht darin, die Kohlenstoffquelle Schicht für Schicht durch chemische Reaktionen zu exfolieren, um Graphen-Quantenpunkte zu erhalten. Peng et al. verwendeten Kohlenstofffasern auf Harzbasis als Kohlenstoffquelle und lösten dann den in den Fasern gestapelten Graphit durch Säurebehandlung ab. Graphen-Quantenpunkte können in nur einem Schritt erhalten werden, ihre Partikelgrößen sind jedoch ungleichmäßig.
Bottom-up-Synthese
Der Bottom-up-Ansatz bezieht sich auf die Herstellung von Graphen-Quantenpunkten unter Verwendung kleinerer Struktureinheiten als Vorläufer durch eine Reihe von Wechselwirkungskräften, hauptsächlich über Herstellungswege wie Lösungschemie, Ultraschall und Mikrowellenmethoden.
Die Lösungschemie-Methode wird hauptsächlich zur Herstellung von Graphen-Quantenpunkten durch die Lösungsphasenchemie-Methode der Aryloxidationskondensation verwendet. Der Syntheseprozess umfasst die schrittweise Kondensationsreaktion von Polymeren mit kleinen Molekülen (3-Iod-4-Bromanilin oder andere Benzolderivate), um dendritische Polystyrol-Vorläufer zu erhalten, gefolgt von einer Oxidationsreaktion, um Graphengruppen zu erhalten, und schließlich einer Ätzung, um Graphenquantenpunkte zu erhalten.
Das Mikrowellenprinzip nutzt Zucker (wie Glucose, Fructose usw.) als Kohlenstoffquellen, da Zucker nach der Dehydrierung C=C bilden können, das die Grundgerüsteinheit von Graphen-Quantenpunkten bilden kann. Die Wasserstoff- und Sauerstoffelemente in Hydroxyl- und Carboxylgruppen werden in einer hydrothermischen Umgebung dehydriert und entfernt, während die verbleibenden funktionellen Gruppen weiterhin an die Oberfläche von Graphen-Quantenpunkten binden. Sie liegen als passive Schichten vor, die dafür sorgen können, dass Graphen-Quantenpunkte eine gute Wasserlöslichkeit und Fluoreszenzeigenschaften aufweisen.
3. Anwendung von Graphen-Quantenpunkten
Graphen-Quantenpunkte haben breite Anwendungsaussichten in mehreren Bereichen. Hier sind einige dieser Anwendungen:
(1) Biomedizinischer Bereich: Graphen-Quantenpunkte weisen eine gute Biokompatibilität auf und werden häufig in der Zellbildgebung, der kontrollierten Wirkstofffreisetzung, der biomolekularen Sensorik und anderen Bereichen eingesetzt.
(2) Fluoreszierende Substanzen: Aufgrund der hohen Fluoreszenzintensität und Fluoreszenzquantenausbeute von Graphen-Quantenpunkten können sie in Bereichen wie Displays und fluoreszierenden Tinten eingesetzt werden.
(3) Optoelektronische Energiespeicherausrüstung: Aufgrund der guten Leitfähigkeit und der hohen spezifischen Oberfläche von Graphen-Quantenpunkten können sie als Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien und andere Anwendungen verwendet werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Graphen-Quantenpunkte als neue Materialien große Aufmerksamkeit erregt haben. Obwohl die Herstellungsmethoden für Graphen-Quantenpunkte noch nicht ausgereift genug sind, sind ihre breiten Anwendungsaussichten in der Biomedizin, bei fluoreszierenden Materialien, bei der Energiespeicherung und anderen Bereichen gespannt
