郑州大学卢思宇教授团队《Matter》综述:在原子级精确水平上高效自下而上合成石墨烯量子点

锂电联盟会长 2023-01-27 11:56
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来源:高分子科学前沿
碳点作为一种新型基于碳结构的纳米材料,在光致发光、电致发光、光电诱导电子和能量转移方面显示出惊人的优势,其中作为碳点家族的重要一员,石墨烯量子点(GQDs)由于其可预测的结构,量子限域,带隙可调,易于功能化等独特优势在生物医学,能源存储与转换,光电器件等领域发挥着不可或缺的作用。近年来,随着更多有机科学家的参与,全合成技术使得GQDs的可控制备实现了质的飞跃,为开发特定结构,特定功能的GQDs提供了更多的可能性和更高的可行性。
郑州大学卢思宇教授团队最近在《Matter》期刊上发表题为“Efficient bottom-up synthesis of graphene quantum dots at an atomically precise level”的综述文章(DOI: 10.1016/j.matt.2023.01.003)。本论文综述了GQDs 在有机骨架生长方法中的全合成策略,重点包括GQDs的原子级精确合成、功能化和掺杂等,并对该领域的当前挑战和未来展望进行了详尽评述(图1)。
图1. 通过有机全合成在原子级精确水平下揭示GQDs内部结构的关键。
对于原子级精确的GQDs的合成及功能性开发,与其选用的前体有密切的关联,一般来说,对于这类GQDs,通常采用含分子缺陷的类石墨烯或多环芳烃(PAHs)结构。缺陷的引入,在一定程度上可以对GQDs的尺寸和性能进行调节,同时缺陷产生(中空结构的GQDs)的较慢的非辐射衰变和较快的辐射衰变过程,可以调节GQDs的发光强度和发射波长(图2)。PAHs的结构一直是GQDs的有效候选者,许多GQDs结构都是在PAHs高效合成的基础上实现的,随着有机合成方法的不断进步,超大分子多环芳烃也被合成化学家广泛用作合成特定GQDs的理想前体和模板结构,并建立了多种有机途径来完成复杂多环芳烃结构的合成(图3)。
图2. 含分子缺陷的双层GQDs表现出明亮的发光。
图3.巨型 222-碳GQDs结构的合成。
GQDs最近因其新颖的光学和电子特性而引起了人们的广泛关注。 根据相关理论预测,传统的共轭平面碳结构的尺寸通常为几纳米,与其他类型的量子点相比,它们受量子限制效应的影响,但在功能化、标度定律和激发态特性方面具有不同的影响。受这些改进的启发,一种新型电致变色GQDs成功地在 nc-ITO电极表面原位生成。该结构的GQDs不仅可以通过界面电荷转移实现高效的还原和氧化,还可以用作光捕获和光催化中的光敏剂(图4)。
图4. 电致变色 GQDs的制备及电致变色性能研究。
GQDs结构的功能化是提高能量转换过程中相应性能的关键,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的表面状态通常会影响其结构中的氧化还原电位和带隙。相关的氧化还原电位和带隙可以通过调整分子大小及其功能得到有效调节(图5)。除了表面修饰外,杂原子(例如氧、磷、氮、硼和硫)的引入也可以充分改变基于共轭骨架的电子特性,其中N原子由于电负性和原子半径与C类似而被广泛应用。
图5. GQDs结构对带隙和氧化还原电势的调节。
在原子级精确水平上对多种GQDs进行全合成的研究非常活跃并且发展迅速,近年来报道越来越多,因此,迫切需要开发可靠且实用的合成策略以实现 GQDs(和碳点)的精确合成,同时,这也极大地促进了其广泛的应用。作者相信,这个蓬勃发展的学科分支正在朝着前进的方向取得进展,这些合成策略将开辟卓越 GQDs制造的新途径,并帮助开发具有重要应用前景的功能材料。

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