Synthese vonKohlenstoffquantenpunkte
Die Synthese von Kohlenstoffquantenpunkten kann hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt werden: Top-Down-Methode und Bottom-Up-Methode. Durch die Vorbehandlung, Vorbereitung und anschließende Verarbeitung können Kohlenstoffquantenpunkte in ihrer Größe kontrolliert, an der Oberfläche passiviert, mit Heteroatomen dotiert und Nanokomposite entsprechend den Anforderungen hergestellt werden.
Top-Down-Ansatz
Top-Down-Methode: Laserablationsmethode, elektrochemische Methode, Lichtbogenentladungsmethode.
Bogenentladung
Dr. Bottini et al. synthetisierte gelbgrün fluoreszierende Kohlenstoffquantenpunkte unter Verwendung einwandiger Kohlenstoffnanoröhren als Kohlenstoffquellen. Sun et al. stellte Kohlenstoffquantenpunkte mit Nanokomposit-Partikelgrößen kleiner als 10 nm her, die für die photoelektrische Umwandlung verwendet werden können.
Das Lichtbogenentladungsverfahren hat eine relativ geringe Ausbeute, eine komplexe Reinigung, eine schwierige Produktsammlung, einen hohen Sauerstoffgehalt und erfordert keine Oberflächenmodifikation. Sein Lumineszenzmechanismus kann dem von Kohlenstoffnanoröhren ähneln.
Laserablationsmethode
Dr. Sun stellte durch Laserablation fluoreszierende Kohlenstoffquantenpunkte unter Verwendung von Kohlenstoff als Ziel her.
Dr. Hu synthetisierte Kohlenstoffquantenpunkte mit gleichzeitiger Oberflächenfunktionalisierung mithilfe der Laserablationsmethode in einem Schritt.
Die Laserablationsmethode erfordert teure Instrumente und die Zugabe organischer Lösungsmittel, um den Oberflächenzustand zu verändern und fluoreszierende Kohlenstoffquantenpunkte zu erzeugen.
Elektrochemische Methode
Unter elektrochemischer Oxidationsmethode versteht man die Methode zur Herstellung von Kohlenstoffquantenpunkten durch Oxidation der Kohlenstoffquelle W mithilfe elektrochemischer Methoden. Zhou et al. erhielten Kohlenstoffquantenpunkte durch elektrochemische Oxidation von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MwCNTs).
Elektrochemische Methoden bieten einzigartige Vorteile bei der Oberflächenstrukturanalyse und der Erforschung von Lumineszenzmechanismen, darunter niedrige Materialkosten, milde Bedingungen und einfache Nachbehandlung.
Bottom-up-Ansatz
Bottom-up-Methode: Organische Karbonisierungsmethode, Mikrowellenmethode, hydrothermale Methode, Verbrennungsmethode, Ultraschallbehandlungsmethode usw.
Organische Karbonisierungsmethode
Organische Karbonisierungsmethode: Kohlenstoffquantenpunkte, die Fluoreszenz emittieren können, können durch Karbonisierung organischer Vorläufer erhalten werden, und es können wasserlösliche/öllösliche Kohlenstoffquantenpunkte mit Oberflächenfunktionalisierung hergestellt werden. Organische Karbonisierungsverfahren können in zwei Kategorien unterteilt werden: Karbonisierung durch Erhitzen und Karbonisierung durch saure Dehydrierung. Diese Methode kann die Leistung von Kohlenstoffquantenpunkten durch die Auswahl verschiedener Karbonisierungsvorläufer oder verschiedener Oberflächenbeschichtungsmittel verändern
Mikrowellenmethode
Unter Mikrowellen versteht man elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge zwischen 300 MHz und 300 GHz. Die Eigenschaften der Mikrowelle sind Energiekonzentration, Gleichmäßigkeit, hohe Effizienz und kurze Reaktionszeit. Zur Herstellung entsprechender Kohlenstoffquantenpunkte können verschiedene Kohlenstoffquellen wie Saccharose, Graphitoxid (GO), Glucose, Chitosan, Polyethylenglykol, Dimethylformamid (DMF) usw. ausgewählt werden.
Hydrothermale Methode
Synthetisieren Sie Substanzen in einem Reaktor mit Wasser als Lösungsmittel unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen. Die Verlängerungsmethode ist die Solvothermalmethode unter Verwendung organischer Lösungsmittel. Der hydrothermale Aufbereitungsprozess ist relativ einfach und leicht zu kontrollieren. Durch die gleichzeitige Reaktion auf engstem Raum kann die Verflüchtigung organischer Stoffe verhindert werden. Die Eigenschaften der hergestellten Kohlenstoffquantenpunkte variieren je nach verwendetem Lösungsmittel.
Verbrennungsmethode
Der Prozess der Herstellung von Kohlenstoffquantenpunkten durch die Verbrennungsmethode ist einfach durchzuführen, erfordert geringe Anforderungen an die Ausrüstung und weist eine hohe Wiederholbarkeit auf, die Partikelgrößenverteilung des Produkts ist jedoch schwer zu kontrollieren.
Ultraschallbehandlungsmethode
Dr. Li fügte dem Wasserstoffperoxidwasser Aktivkohle hinzu, um eine schwarze Suspension zu bilden. Die durch Ultraschallbehandlung bei Raumtemperatur verdünnte Suspension wird dann unter Verwendung einer Zellulosemembran vakuumdialysiert, um nicht fluoreszierende Substanzen zu entfernen. Nach der Filtration erhaltene funktionalisierte Kohlenstoffnanopartikel (FCNPs). Die Ultraschallbehandlungsmethode zur Herstellung von Kohlenstoffquantenpunkten erfordert geringe Geräteanforderungen, einfache Bedienung, niedrige Kosten, hohe Ausbeute und geringen Energieverbrauch.
Für die Anwendungs- oder Mechanismusforschung ist es notwendig, die Größe von Kohlenstoffquantenpunkten zu kontrollieren. Derzeit ist die gängige Methode die Herstellung von Kohlenstoffquantenpunkten in Nanoreaktoren. Das organische Ausgangsmaterial wird durch Kapillarkräfte in einen porösen Nanoreaktor absorbiert und das organische Ausgangsmaterial wird im Nanoreaktor gecrackt, um den Nanoreaktor zu entfernen und Kohlenstoffquantenpunkte zu erhalten.
Oberflächenpassivierung und -funktionalisierung
Die Quanteneffizienz von Kohlenstoff-Quantenpunkten ohne Oberflächenpassivierung ist normalerweise sehr gering. Um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen, passivieren und funktionalisieren Menschen Kohlenstoffquantenpunkte durch kovalente Bindung, Koordination, π-π-Wechselwirkung, Sol-Gel-Wechselwirkung und auf andere Weise. Durch die Funktionalisierung von Kohlenstoffquantenpunkten können sowohl deren optische als auch physikalisch-chemische Eigenschaften verbessert werden.
Heteroatom-Dotierung
Die Dotierung mit Heteroatomen wird üblicherweise zur Regulierung der Lumineszenz von Substanzen eingesetzt. Zu den üblichen Heteroatomen gehören Stickstoff (N), Schwefel (S), Phosphor (P), Silizium (Si) usw. Die Dotierung mit Stickstoff (N) kann die Photolumineszenz deutlich verstärken, und die Emissionsintensität hängt vom Stickstoffgehalt ab; Mit Silizium (Si) dotierte Kohlenstoffquantenpunkte können eine spezifische Reaktion auf H2O2 zeigen.
Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff-Quantenpunkten
Kohlenstoff-Quantenpunkt-Verbundwerkstoffe können ihre Fluoreszenzeigenschaften mit den elektrischen, magnetischen, optischen und anderen Eigenschaften anorganischer Nanopartikel kombinieren, um den Anforderungen verschiedener Anwendungsbereiche gerecht zu werden. Entsprechend den Eigenschaften von Verbundwerkstoffen können diese in zwei Typen unterteilt werden: Edelmetall-Verbundwerkstoffe (wie Ag) und Halbleiter-Verbundwerkstoffe (wie TiO2, Fe2O3, Cu2O usw.).
Die Anwendung von Kohlenstoffquantenpunkten
Kohlenstoffquantenpunkte verfügen über viele hervorragende Eigenschaften wie starke Photolumineszenz, starke Fähigkeit zur Elektronenübertragung und gute Biokompatibilität und haben einen enormen potenziellen Anwendungswert in Bereichen wie Biologie, Medizin, Chemieingenieurwesen und Elektronik
Bioimaging
Die starke Lumineszenz und die gute biologisch geringe Toxizität von Kohlenstoff-Quantenpunkten können als Ersatz für Halbleiter-Quantenpunkte und organische Farbstoffe genutzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Zellmarkern ist ihr größter Vorteil die mehrfarbige Lumineszenz, die für Forscher von Vorteil ist, um Anregungs- und Emissionswellenlängen je nach unterschiedlichen Bildgebungsanforderungen zu steuern und auszuwählen. Mit der Vertiefung der Forschung bietet das selektive Zell-Targeting von Kohlenstoffquantenpunkten in der Zukunft breite Anwendungsaussichten im Bereich der biologischen Bildgebung.
Behandlung von Krankheiten
Kohlenstoffquantenpunkte können als Photosensibilisatoren für bestimmte spezifische Tumore dienen, während in bestimmten Bereichen geclusterte Kohlenstoffquantenpunkte das Wachstum von Krebszellen durch Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge hemmen können. Forscher nutzen es auch als Nanoträger und Tracker, um den Abgabeprozess von Medikamenten oder Genen zu überwachen. Durch die Überwachung des Fluoreszenzsignals von Kohlenstoffquantenpunkten kann auf den Abgabeeffekt von Arzneimitteln geschlossen werden, wodurch die Injektionsmethode und die Dosierung von Arzneimitteln optimiert werden.
Lumineszierende Materialien
Aufgrund seiner hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften können Kohlenstoffquantenpunkte zur photoelektrischen Umwandlung verwendet werden. Mirtchev et al. Vorbereitete Kohlenstoff-Quantenpunkt-sensibilisierte Titandioxid-Solarzellen.
Photokatalytische Anwendungen
Die Oberfläche von Kohlenstoffquantenpunkten verfügt über zahlreiche funktionelle Gruppen und eine hervorragende Fähigkeit zur Elektronenübertragung, was ihnen eine hervorragende photokatalytische und elektrochemische katalytische Leistung verleiht. Yu et al. stellten Kohlenstoffquantenpunkte P25 TiO2-Nanokomposite mithilfe einer einstufigen hydrothermischen Methode her. Kohlenstoffquantenpunkte dienen als Elektronenspeicherpools und können die katalytische Wasserstofferzeugung von P25 TiO2 unter UV-Bestrahlung effektiv fördern.
Chemische Sensorik
Die geringe Toxizität, Biokompatibilität und Photostabilität von Kohlenstoffquantenpunkten kann zum Nachweis von Molekülen wie Metallionen, Metallen und Anionen genutzt werden.
Fluoreszierende Tinte
Kohlenstoffquantenpunkte können bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht eine deutliche Fluoreszenz emittieren und weisen eine starke Photostabilität auf, weshalb sie als fluoreszierende Tinten verwendet werden. Gao et al. Gedruckte farblose Kohlenstoffquantenpunkte auf Papierausschnitten zur Fälschungssicherheit und Informationsverschlüsselung.
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