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郑州大学卢思宇 Matter综述:石墨烯量子点的原子级精确合成
2023-01-28  来源:高分子科技

  石墨烯量子点(GQDs)作为碳点家族的重要一员,具有出色的光学性质,稳定性,溶解性,低毒性等,已经在纳米医学,光伏设备,电池,光电探测器等领域发挥着不可或缺的作用。更重要的是,GQDs是结构最明确的一种碳点,因此通过修饰等手段可以轻松的改变其性质,并实现精准合成。这进一步为GQDs(包括碳点)的形成过程解析提供了研究思路。因此,深入理解GQDs的精确合成具有重要的意义和研究价值。



  近日,郑州大学卢思宇教授等人系统地总结了至下而上法精准制备GQDs最新进展,特别强调了精确合成GQDs采取的策略和常用的配体;系统的阐明了GQDs结构对其性质的影响,展示了GQDs的修饰和掺杂策略,同时介绍了功能化石墨烯纳米带(GNRs)GQDs之间的联系,这有助于开创更前沿的GQDs功能复合相变材料。该综述以“Efficient bottom-up synthesis of graphene quantum dots at an atomically precise level”为题发表在《Matter》上。 


1通过有机全合成在原子级精准水平上揭示GQDs内部结构的关键


1.GQDs常见的合成策略


  GQDs的制备方法分为至上而下至下而上两类(2)。对于至上而下法,各种宏观碳物种,例如富勒烯、石墨烯和碳纳米管通过氧化裂解、激光烧蚀、电化学途径被剥离成更小的GQDs;至下而上法常采用有机前体通过水热/溶剂热,全合成的策略进行制备。 


2通过不同碳源的“至上而下”裂解和小分子/聚合物的“至下而上”制备GQDs


2.合成精确结构GQDs的常见前体


  GQDs常见的前体可以分为含有缺陷的和含有多环芳烃(PAHs)结构的,缺陷结构衍生的空心共轭大结构GQDs。这种含有缺陷的GQDs与没有中心缺陷的相同尺寸结构相比,缺陷结构在荧光发射和紫外-可见光谱中均表现出显着的向色偏移,发光强度也明显提高,这可归因于它较慢的非辐射衰变和较快的辐射衰变;PAHs的结构一直是GQDs的有效候选者,许多GQD结构都是在PAHs高效合成的基础上实现的。目前,超大分子PAHs也被合成化学家广泛用作合成特定功能的GQDsPAHs前体的尺寸也会进一步对GQDs的尺寸进行调节,从而影响其光学性质。


3.GQDs的修饰


  GQDs结构的功能化是改变其能量转换过程的关键,有机转化,尤其是具有表面附着功能的转化,不仅可以有效调节GQDs相关材料的性能,而且对新材料的设计和改进也起着至关重要的作用。GQDs的共价修饰可以对其带隙进行调控,通过对其氧化还原电位的调整,实现HOMO和 LUMO能级的改变;除了共价修饰,通过在碳晶格中引入不同的杂原子,可以充分改变基于共轭骨架的电子结构。其中N原子由于半径和电负性和C相似,使得N掺杂在材料改性和开发中得到广泛应用 


3通过使用不同的有机策略,在原子级精确水平上高效的制备碳点和GQDs


4.功能化GNRs的精确合成


  一般来说,当尺寸在10 nm以内时,GNRs也可以归类为 GQDs。考虑到 GNRs 的小尺寸,它们已被证明可以通过合理的化学设计定向合成GQDs,使它们具有特定的功能。此外,GNRs是具有单层石墨烯的狭长带状结构,其宽度通常小于10 nm,一些通过取代功能连接的GNRs可作为高度可调的GQDs目前,通过全合成的策略,已经开发了Zigzag, Armchair, Gulf边缘的,和弯曲,扭曲和Chevron类型的GQDs 


4. GQDs的总结和展望以及现有的机遇和挑战


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.01.003

  下载:Efficient bottom-up synthesis of graphene quantum dots at an atomically precise level

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(责任编辑:xu)
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