石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)作為碳點(diǎn)家族的重要一員,具有出色的光學(xué)性質(zhì),穩(wěn)定性,溶解性,低毒性等,已經(jīng)在納米醫(yī)學(xué),光伏設(shè)備,電池,光電探測(cè)器等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。更重要的是,GQDs是結(jié)構(gòu)最明確的一種碳點(diǎn),因此通過(guò)修飾等手段可以輕松的改變其性質(zhì),并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)合成。這進(jìn)一步為GQDs(包括碳點(diǎn))的形成過(guò)程解析提供了研究思路。因此,深入理解GQDs的精確合成具有重要的意義和研究?jī)r(jià)值。
近日,鄭州大學(xué)盧思宇教授等人系統(tǒng)地總結(jié)了至下而上法精準(zhǔn)制備GQDs的最新進(jìn)展,特別強(qiáng)調(diào)了精確合成GQDs采取的策略和常用的配體;系統(tǒng)的闡明了GQDs結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)的影響,展示了GQDs的修飾和摻雜策略,同時(shí)介紹了功能化石墨烯納米帶(GNRs)和GQDs之間的聯(lián)系,這有助于開(kāi)創(chuàng)更前沿的GQDs基功能復(fù)合相變材料。該綜述以“Efficient bottom-up synthesis of graphene quantum dots at an atomically precise level”為題發(fā)表在《Matter》上。

1.GQDs常見(jiàn)的合成策略
GQDs的制備方法分為“至上而下”和“至下而上”兩類(圖2)。對(duì)于至上而下法,各種宏觀碳物種,例如富勒烯、石墨烯和碳納米管等,通過(guò)氧化裂解、激光燒蝕、電化學(xué)途徑被剝離成更小的GQDs;至下而上法常采用有機(jī)前體通過(guò)水熱/溶劑熱,全合成的策略進(jìn)行制備。

2.合成精確結(jié)構(gòu)GQDs的常見(jiàn)前體
GQDs常見(jiàn)的前體可以分為含有缺陷的和含有多環(huán)芳烴(PAHs)結(jié)構(gòu)的,缺陷結(jié)構(gòu)衍生的空心共軛大結(jié)構(gòu)GQDs。這種含有缺陷的GQDs與沒(méi)有中心缺陷的相同尺寸結(jié)構(gòu)相比,缺陷結(jié)構(gòu)在熒光發(fā)射和紫外-可見(jiàn)光譜中均表現(xiàn)出顯著的向色偏移,發(fā)光強(qiáng)度也明顯提高,這可歸因于它較慢的非輻射衰變和較快的輻射衰變;PAHs的結(jié)構(gòu)一直是GQDs的有效候選者,許多GQD結(jié)構(gòu)都是在PAHs高效合成的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。目前,超大分子PAHs也被合成化學(xué)家廣泛用作合成特定功能的GQDs,PAHs前體的尺寸也會(huì)進(jìn)一步對(duì)GQDs的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié),從而影響其光學(xué)性質(zhì)。
3.GQDs的修飾
GQDs結(jié)構(gòu)的功能化是改變其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的關(guān)鍵,有機(jī)轉(zhuǎn)化,尤其是具有表面附著功能的轉(zhuǎn)化,不僅可以有效調(diào)節(jié)GQDs相關(guān)材料的性能,而且對(duì)新材料的設(shè)計(jì)和改進(jìn)也起著至關(guān)重要的作用。GQDs的共價(jià)修飾可以對(duì)其帶隙進(jìn)行調(diào)控,通過(guò)對(duì)其氧化還原電位的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)HOMO和 LUMO能級(jí)的改變;除了共價(jià)修飾,通過(guò)在碳晶格中引入不同的雜原子,可以充分改變基于共軛骨架的電子結(jié)構(gòu)。其中N原子由于半徑和電負(fù)性和C相似,使得N摻雜在材料改性和開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。

4.功能化GNRs的精確合成
一般來(lái)說(shuō),當(dāng)尺寸在10 nm以內(nèi)時(shí),GNRs也可以歸類為 GQDs。考慮到 GNRs 的小尺寸,它們已被證明可以通過(guò)合理的化學(xué)設(shè)計(jì)定向合成GQDs,使它們具有特定的功能。此外,GNRs是具有單層石墨烯的狹長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu),其寬度通常小于10 nm,一些通過(guò)取代功能連接的GNRs可作為高度可調(diào)的GQDs。目前,通過(guò)全合成的策略,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了Zigzag, Armchair, Gulf邊緣的,和彎曲,扭曲和Chevron類型的GQDs。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.01.003
下載:Efficient bottom-up synthesis of graphene quantum dots at an atomically precise level
- 浙江理工大學(xué)胡毅教授 Small:局部電子密度調(diào)節(jié)效應(yīng)促進(jìn)固-液界面離子吸附用于增強(qiáng)微型超級(jí)電容器面電容 2023-06-12
- 浙大高超團(tuán)隊(duì)Nanoscale:化腐朽為神奇,從工業(yè)廢碳到尺寸可控的石墨烯 2020-05-29
- 西安交大和玲教授課題組在石墨烯量子點(diǎn)白光材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展 2018-12-05
- 中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所李茂研究員課題組《Sci. Adv.》:?jiǎn)误w組成和序列可控聚合物單層導(dǎo)電研究 2023-06-21
- 長(zhǎng)春應(yīng)化所陳學(xué)思院士課題組龐烜研究員團(tuán)隊(duì) Macromolecules:利用可逆的羰基化反應(yīng)精確合成富氧多嵌段共聚物 2023-03-20
- 上海交大周寅寧/羅正鴻課題組《Macromolecules》:基于分布方程的表觀分子量平均性質(zhì)修正新策略 2023-02-17
- 杭師大黃又舉教授團(tuán)隊(duì) Angew:納米金單層膜功能化的納米毛細(xì)管助力SERS監(jiān)測(cè)單細(xì)胞氧化還原代謝 2025-06-25