Grafeneè attualmente uno dei materiali più popolari per la ricerca. Ha molte caratteristiche eccellenti, come alta conduttività, alta conduttività termica, buone proprietà meccaniche, ecc. Recentemente, anche i punti quantici realizzati in grafene hanno attirato un'attenzione diffusa. I punti quantici di grafene sono considerati materiali importanti per la prossima generazione di dispositivi ottici, elettrici e di accumulo di energia e hanno attirato l'attenzione grazie ai loro eccellenti vantaggi prestazionali in varie applicazioni. Questo articolo introdurrà le proprietà, la sintesi e le applicazioni dei punti quantici di grafene.
1. Prestazioni dipunti quantici di grafene
I punti quantici di grafene sono un nuovo tipo di materiale di carbonio con un diametro tipicamente inferiore a 10 nanometri. Rispetto ai punti quantici tradizionali dei semiconduttori, i punti quantici del grafene presentano i seguenti vantaggi:
(1) Adattabilità delle dimensioni: i punti quantici di grafene hanno diametri regolabili. Ciò consente ai punti quantici di grafene di mostrare varie proprietà e funzioni in varie applicazioni.
(2) Elevate prestazioni optoelettroniche: la struttura a bande dei punti quantici di grafene conferisce loro eccellenti proprietà ottiche ed elettriche.
(3) Buona stabilità: sulla superficie dei punti quantici di grafene sono presenti molti gruppi funzionali che possono stabilizzare le loro proprietà chimiche superficiali.
2. Sintesi di punti quantici di grafene
Esistono due metodi per preparare i punti quantici di grafene: top-down e bottom-up.
Sintesi top-down
L’approccio top-down si riferisce all’incisione fisica o chimica di materiali di grandi dimensioni in punti quantici di grafene su scala nanometrica, che possono essere preparati attraverso percorsi di esfoliazione termica, elettrochimica e chimica con solvente.
Il metodo termico con solvente è uno dei tanti metodi per preparare punti quantici di grafene e il suo processo può essere suddiviso in tre fasi: in primo luogo, il grafene ossidato viene ridotto in nanofogli di grafene ad alta temperatura in uno stato di vuoto; Ossidare e tagliare nanofogli di grafene in acido solforico concentrato e acido nitrico concentrato; Infine, i nanofogli di grafene ossidati vengono ridotti in un ambiente termico con solvente per formare punti quantici di grafene.
Il processo di preparazione elettrochimica dei punti quantici di grafene può essere riassunto in tre fasi: la fase è il periodo di induzione in cui la grafite sta per staccarsi e formare grafene, e il colore dell'elettrolita inizia a cambiare da incolore a giallo e poi a scuro marrone; La seconda fase è una significativa espansione della grafite nell'anodo; La terza fase avviene quando le scaglie di grafite si staccano dall'anodo e formano una soluzione nera insieme all'elettrolita. Nella seconda e terza fase è stato trovato del sedimento sul fondo del bicchiere. Nelle reazioni elettrochimiche, esiste un'interazione tra acqua e anioni nei liquidi ionici, quindi la forma e la distribuzione dimensionale dei prodotti possono essere regolati modificando il rapporto tra acqua e liquidi ionici. La dimensione dei punti quantici preparati da elettroliti con elevata concentrazione di ioni è maggiore di quella degli elettroliti a bassa concentrazione.
Il principio dell'esfoliazione chimica delle fibre di carbonio consiste nell'esfoliare la fonte di carbonio strato per strato attraverso reazioni chimiche per ottenere punti quantici di grafene. Peng et al. ha utilizzato fibre di carbonio a base di resina come fonte di carbonio e quindi ha rimosso la grafite impilata nelle fibre attraverso un trattamento acido. I punti quantici di grafene possono essere ottenuti in un solo passaggio, ma le loro dimensioni delle particelle non sono uniformi.
Sintesi dal basso
L'approccio dal basso verso l'alto si riferisce alla preparazione di punti quantici di grafene utilizzando unità strutturali più piccole come precursori attraverso una serie di forze di interazione, principalmente attraverso percorsi di preparazione come la chimica delle soluzioni, gli ultrasuoni e i metodi a microonde.
Il metodo della chimica della soluzione viene utilizzato principalmente per preparare punti quantici di grafene attraverso il metodo della chimica della fase di soluzione della condensazione dell'ossidazione arilica. Il processo di sintesi prevede la reazione di condensazione graduale di polimeri di piccole molecole (3-iodo-4-bromoanilina o altri derivati del benzene) per ottenere precursori dendritici di polistirene, seguita da una reazione di ossidazione per ottenere gruppi di grafene e infine dall'attacco per ottenere punti quantici di grafene.
Il principio delle microonde utilizza gli zuccheri (come glucosio, fruttosio, ecc.) come fonti di carbonio, perché dopo la disidratazione, gli zuccheri possono formare C=C, che può formare l'unità scheletrica di base dei punti quantici di grafene. Gli elementi di idrogeno e ossigeno nei gruppi idrossile e carbossile verranno disidratati e rimossi in un ambiente idrotermale, mentre i restanti gruppi funzionali si legheranno ancora alla superficie dei punti quantici di grafene. Esistono come strati passivi, che possono far sì che i punti quantici di grafene abbiano buone proprietà di solubilità in acqua e fluorescenza.
3. Applicazione di punti quantici di grafene
I punti quantici di grafene hanno ampie prospettive di applicazione in molteplici campi. Ecco alcune di queste applicazioni:
(1) Campo biomedico: i punti quantici di grafene hanno una buona biocompatibilità e sono ampiamente utilizzati nell'imaging cellulare, nel rilascio controllato di farmaci, nel rilevamento biomolecolare e in altri campi.
(2) Sostanze fluorescenti: grazie all'elevata intensità di fluorescenza e alla resa quantica della fluorescenza dei punti quantici di grafene, possono essere utilizzati in campi come display e inchiostri fluorescenti.
(3) Apparecchiature optoelettroniche per l'accumulo di energia: grazie alla buona conduttività e all'elevata superficie specifica dei punti quantici di grafene, possono essere utilizzati come materiali per elettrodi per supercondensatori, batterie agli ioni di litio e altre applicazioni.
In sintesi, i punti quantici di grafene hanno attirato molta attenzione come nuovi materiali. Sebbene i metodi di preparazione dei punti quantici di grafene non siano ancora sufficientemente maturi, vale la pena aspettarsi le loro ampie prospettive di applicazione in biomedicina, materiali fluorescenti, stoccaggio di energia e altri campi
