Articles techniques

Un article sur la compréhension des propriétés, de la synthèse et des applications des points quantiques de graphène

2024-04-24

Graphèneest actuellement l'un des matériaux les plus populaires pour la recherche. Il possède de nombreuses excellentes caractéristiques, telles qu'une conductivité élevée, une conductivité thermique élevée, de bonnes propriétés mécaniques, etc. Récemment, les points quantiques en graphène ont également attiré une grande attention. Les points quantiques de graphène sont considérés comme des matériaux importants pour la prochaine génération de dispositifs optiques, électriques et de stockage d'énergie, et ont attiré l'attention en raison de leurs excellents avantages en termes de performances dans diverses applications. Cet article présentera les propriétés, la synthèse et les applications des points quantiques de graphène.

graphene quantum dots

1. Performances depoints quantiques de graphène


Les points quantiques de graphène sont un nouveau type de matériau carboné dont le diamètre est généralement inférieur à 10 nanomètres. Par rapport aux points quantiques semi-conducteurs traditionnels, les points quantiques en graphène présentent les avantages suivants :


(1) Ajustabilité de la taille : les points quantiques de graphène ont des diamètres réglables. Cela permet aux points quantiques de graphène de présenter diverses propriétés et fonctions dans diverses applications.


(2) Fortes performances optoélectroniques : la structure de bande des points quantiques de graphène leur confère d’excellentes propriétés optiques et électriques.


(3) Bonne stabilité : il existe de nombreux groupes fonctionnels à la surface des points quantiques de graphène, qui peuvent stabiliser leurs propriétés chimiques de surface.


2. Synthèse de points quantiques de graphène



Il existe deux méthodes pour préparer les points quantiques de graphène : descendante et ascendante.


Synthèse descendante

L'approche descendante fait référence à la gravure physique ou chimique de matériaux de grande taille en points quantiques de graphène à l'échelle nanométrique, qui peuvent être préparés par des voies d'exfoliation thermique, électrochimique et chimique par solvant.


La méthode thermique par solvant est l'une des nombreuses méthodes de préparation de points quantiques de graphène, et son processus peut être divisé en trois étapes : premièrement, le graphène oxydé est réduit en nanofeuillets de graphène à haute température dans un état sous vide ; Oxyder et couper des nanofeuilles de graphène dans de l'acide sulfurique concentré et de l'acide nitrique concentré ; Enfin, les nanofeuilles de graphène oxydées sont réduites dans un environnement thermique de solvant pour former des points quantiques de graphène.

Le processus de préparation électrochimique des points quantiques de graphène peut être résumé en trois étapes : l'étape est la période d'induction pendant laquelle le graphite est sur le point de se décoller et de former du graphène, et la couleur de l'électrolyte commence à passer de l'incolore au jaune puis au foncé. brun; La deuxième étape est une expansion importante du graphite dans l'anode ; La troisième étape est celle où les flocons de graphite se sont décollés de l'anode et ont formé une solution noire avec l'électrolyte. Aux deuxième et troisième étapes, des sédiments ont été trouvés au fond du bécher. Dans les réactions électrochimiques, il y a une interaction entre l’eau et les anions dans les liquides ioniques, de sorte que la forme et la distribution de la taille des produits peuvent être ajustées en modifiant le rapport eau/liquides ioniques. La taille des points quantiques préparés à partir d’électrolytes à forte concentration en ions est plus grande que celle des électrolytes à faible concentration.


Le principe de l'exfoliation chimique des fibres de carbone est d'exfolier la source de carbone couche par couche grâce à des réactions chimiques pour obtenir des points quantiques de graphène. Peng et coll. utilisé des fibres de carbone à base de résine comme source de carbone, puis décollé le graphite empilé dans les fibres par traitement acide. Les points quantiques de graphène peuvent être obtenus en une seule étape, mais leurs tailles de particules sont inégales.


Synthèse ascendante

L'approche ascendante fait référence à la préparation de points quantiques de graphène en utilisant des unités structurelles plus petites comme précurseurs via une série de forces d'interaction, principalement via des voies de préparation telles que la chimie des solutions, les ultrasons et les méthodes micro-ondes.


La méthode de chimie en solution est principalement utilisée pour préparer des points quantiques de graphène grâce à la méthode de chimie en phase solution de condensation par oxydation d'aryle. Le processus de synthèse implique la réaction de condensation progressive de polymères à petites molécules (3-iodo-4-bromoaniline ou autres dérivés du benzène) pour obtenir des précurseurs dendritiques de polystyrène, suivie d'une réaction d'oxydation pour obtenir des groupes de graphène, et enfin d'une gravure pour obtenir des points quantiques de graphène.

Le principe des micro-ondes utilise des sucres (tels que le glucose, le fructose, etc.) comme sources de carbone, car après déshydratation, les sucres peuvent former C=C, qui peut former l'unité squelette de base des points quantiques de graphène. Les éléments hydrogène et oxygène des groupes hydroxyle et carboxyle seront déshydratés et éliminés dans un environnement hydrothermal, tandis que les groupes fonctionnels restants se lieront toujours à la surface des points quantiques de graphène. Ils existent sous forme de couches passives, ce qui permet aux points quantiques de graphène d'avoir de bonnes propriétés de solubilité dans l'eau et de fluorescence.

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3. Application des points quantiques de graphène


Les points quantiques de graphène ont de larges perspectives d’application dans plusieurs domaines. Voici quelques-unes de ces applications :


(1) Domaine biomédical : les points quantiques de graphène ont une bonne biocompatibilité et sont largement utilisés dans l'imagerie cellulaire, la libération contrôlée de médicaments, la détection biomoléculaire et d'autres domaines.


(2) Substances fluorescentes : en raison de l'intensité de fluorescence élevée et du rendement quantique de fluorescence des points quantiques de graphène, elles peuvent être utilisées dans des domaines tels que les écrans et les encres fluorescentes.


(3) Équipement optoélectronique de stockage d'énergie : en raison de la bonne conductivité et de la surface spécifique élevée des points quantiques de graphène, ils peuvent être utilisés comme matériaux d'électrode pour les supercondensateurs, les batteries lithium-ion et d'autres applications.


En résumé, les points quantiques de graphène ont attiré beaucoup d’attention en tant que nouveaux matériaux. Bien que les méthodes de préparation des points quantiques de graphène ne soient pas encore suffisamment matures, leurs vastes perspectives d'application dans les domaines biomédical, fluorescent, le stockage d'énergie et d'autres domaines méritent d'être attendues.

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