石墨烯由平面結(jié)構(gòu)組成，碳原子以六角形連接，類似于蜂巢。當(dāng)石墨烯尺寸縮小到幾納米(nm)時(shí)，它就變成了石墨烯量子點(diǎn)，表現(xiàn)出熒光和半導(dǎo)體特性。石墨烯量子點(diǎn)作為一種新型材料可用于各種應(yīng)用，包括顯示屏、太陽(yáng)能電池、二次電池、生物成像、照明、光催化和傳感器。對(duì)石墨烯量子點(diǎn)的興趣正在增長(zhǎng)，因?yàn)樽罱难芯勘砻?，控制某些材料碳結(jié)構(gòu)中雜原子(如氮、硫和磷)的比例可以增強(qiáng)它們的光學(xué)、電學(xué)和催化性能。
韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院(KIST，Seok-Jin Yoon 院長(zhǎng))報(bào)道稱，由功能復(fù)合材料研究中心的 Byung-Joon Moon 博士和 Sukang Bae 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種精確控制鍵合的技術(shù)石墨烯量子點(diǎn)中單個(gè)雜原子的結(jié)構(gòu)，是一種零維碳納米材料，通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)控制;并且他們確定了相關(guān)的反應(yīng)機(jī)制。
為了控制石墨烯量子點(diǎn)內(nèi)的雜原子摻入，研究人員之前曾研究過(guò)使用添加劑在點(diǎn)本身已經(jīng)合成后將雜原子引入點(diǎn)中。然后必須進(jìn)一步純化該點(diǎn)，因此該方法在整個(gè)制造過(guò)程中增加了幾個(gè)步驟。研究的另一種方法涉及同時(shí)使用多種有機(jī)前體(它們是點(diǎn)合成的主要成分)以及含有雜原子的添加劑。然而，這些方法具有明顯的缺點(diǎn)，包括最終產(chǎn)物的結(jié)晶度降低和總反應(yīng)收率較低，因?yàn)楸仨殞?shí)施幾個(gè)額外的純化步驟。此外，為了獲得具有制造商所需化學(xué)成分的量子點(diǎn)，必須優(yōu)化各種反應(yīng)條件，例如添加劑的比例。這將不可避免地導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間和單位制造成本的增加。
傳統(tǒng)的制造方法使用酸性前體或溶液，因此需要中和和純化步驟。相反，新開(kāi)發(fā)的工藝使用在合成過(guò)程中被中和的弱堿性前體，這意味著該工藝的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)的石墨烯量子點(diǎn)在準(zhǔn)備使用之前不需要額外的處理。
研究小組還使用基于計(jì)算化學(xué)的計(jì)算機(jī)建模發(fā)現(xiàn)，石墨烯量子點(diǎn)合成過(guò)程中使用的溶劑會(huì)影響有機(jī)前體富馬腈的氧化，富馬腈也含有雜原子(氮)。這意味著溶劑類型最終決定了最終石墨烯量子點(diǎn)產(chǎn)品的化學(xué)成分。此外，基于所使用的特定溶劑計(jì)算的有機(jī)前體的理論氧化能值經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明具有預(yù)測(cè)最終石墨烯量子點(diǎn)的大致化學(xué)成分的能力。
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