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Quelles sont les méthodes de synthèse et les applications des points quantiques de carbone

2024-05-15

Synthèse dePoints quantiques de carbone

La synthèse de points quantiques de carbone peut être principalement divisée en deux catégories : la méthode descendante et la méthode ascendante. Grâce au prétraitement, à la préparation et au traitement ultérieur, la taille des points quantiques de carbone peut être contrôlée, passivé en surface, dopé avec des hétéroatomes et des nanocomposites pour répondre aux exigences.

Carbon Quantum Dots

Approche descendante

Méthode descendante : méthode d'ablation laser, méthode électrochimique, méthode de décharge à l'arc.


décharge en arc

Le Dr Xu a synthétisé des nanoparticules de carbone fluorescentes bleues et jaunes en utilisant des cendres de carbone comme source de carbone en utilisant la méthode de décharge par arc. Bottini et coll. synthétisé des points quantiques de carbone fluorescents jaune-vert en utilisant des nanotubes de carbone à paroi unique comme sources de carbone. Sun et coll. points quantiques de carbone préparés avec des particules nanocomposites de taille inférieure à 10 nm, qui peuvent être utilisées pour la conversion photoélectrique.

La méthode de décharge par arc a un rendement relativement faible, une purification complexe, une collecte de produit difficile, une teneur élevée en oxygène et ne nécessite pas de modification de surface. Son mécanisme de luminescence peut être similaire à celui des nanotubes de carbone.


Méthode d'ablation au laser

Le Dr Sun a préparé des points quantiques de carbone fluorescents en utilisant le carbone comme cible par ablation laser.

Le Dr Hu a synthétisé des points quantiques de carbone avec fonctionnalisation simultanée de la surface en utilisant la méthode d'ablation laser en une seule étape.

La méthode d'ablation laser nécessite des instruments coûteux et l'ajout de solvants organiques pour modifier l'état de surface afin de produire des points quantiques de carbone fluorescents.


Méthode électrochimique

La méthode d'oxydation électrochimique fait référence à la méthode de préparation de points quantiques de carbone en oxydant la source de carbone W à l'aide de méthodes électrochimiques. Zhou et coll. obtenu des points quantiques de carbone par oxydation électrochimique de nanotubes de carbone à parois multiples (MwCNT).

Les méthodes électrochimiques présentent des avantages uniques dans l’analyse de la structure de surface et la recherche sur les mécanismes de luminescence, notamment un faible coût des matériaux, des conditions douces et un post-traitement simple.


Une approche en profondeur

Méthode ascendante : méthode de carbonisation organique, méthode micro-ondes, méthode hydrothermale, méthode de combustion, méthode de traitement par ultrasons, etc.



Méthode de carbonisation organique

Méthode de carbonisation organique : des points quantiques de carbone capables d'émettre de la fluorescence peuvent être obtenus en carbonisant des précurseurs organiques, et des points quantiques de carbone solubles dans l'eau/huile solubles avec fonctionnalisation de surface peuvent être préparés. Les méthodes de carbonisation organique peuvent être divisées en deux catégories : la carbonisation par chauffage et la carbonisation par déshydratation acide. Cette méthode peut modifier les performances des points quantiques de carbone en sélectionnant différents précurseurs de carbonisation ou différents agents de revêtement de surface.


Méthode micro-ondes

Les micro-ondes font référence aux ondes électromagnétiques dont la fréquence d'onde est comprise entre 300 MHz et 300 GHz. Les caractéristiques des micro-ondes sont la concentration d’énergie, l’uniformité, le rendement élevé et le temps de réaction court. Différentes sources de carbone telles que le saccharose, l'oxyde de graphite (GO), le glucose, le chitosane, le polyéthylène glycol, le diméthylformamide (DMF), etc. peuvent être sélectionnées pour préparer les points quantiques de carbone correspondants.


Méthode hydrothermale

Synthétiser des substances dans un réacteur en utilisant de l'eau comme solvant dans des conditions de température et de pression élevées. Sa méthode d'extension est la méthode solvothermique utilisant des solvants organiques. Le processus de préparation hydrothermale est relativement simple et facile à contrôler. Réagir simultanément dans un espace confiné peut empêcher la volatilisation de la matière organique. Les propriétés des points quantiques de carbone produits varient en fonction du solvant utilisé.


Méthode de combustion

Le processus de préparation de points quantiques de carbone par combustion est simple à mettre en œuvre, nécessite peu d'équipement et présente une forte répétabilité, mais la distribution granulométrique du produit est difficile à contrôler.

Méthode de traitement par ultrasons


Le Dr Li a ajouté du charbon actif à de l'eau oxygénée pour former une suspension noire. La suspension diluée par traitement aux ultrasons à température ambiante est ensuite dialysée sous vide à l'aide d'une membrane de cellulose pour éliminer les substances non fluorescentes. Nanoparticules de carbone fonctionnalisées (FCNP) obtenues après filtration. Le procédé de traitement par ultrasons pour préparer des points quantiques de carbone nécessite peu d'équipement, une opération simple, un faible coût, un rendement élevé et une faible consommation d'énergie.

Pour la recherche d’applications ou de mécanismes, il est nécessaire de contrôler la taille des points quantiques de carbone. Actuellement, la méthode courante consiste à préparer des points quantiques de carbone dans des nanoréacteurs. Le matériau de départ organique est absorbé dans un nanoréacteur poreux par l'intermédiaire de forces capillaires, et le matériau de départ organique est craqué dans le nanoréacteur pour retirer le nanoréacteur et obtenir des points quantiques de carbone.

Passivation de surface et fonctionnalisation


L’efficacité quantique des points quantiques de carbone sans passivation de surface est généralement très faible. Afin de répondre à des besoins d'application spécifiques, les gens passivent et fonctionnalisent les points quantiques de carbone par liaison covalente, coordination, interaction π - π, interaction sol-gel et d'autres moyens. La fonctionnalisation des points quantiques de carbone peut améliorer leurs propriétés optiques et physico-chimiques.



Dopage hétéroatomique

Le dopage aux hétéroatomes est couramment utilisé pour réguler la luminescence des substances. Les hétéroatomes courants comprennent l'azote (N), le soufre (S), le phosphore (P), le silicium (Si), etc. Le dopage à l'azote (N) peut améliorer considérablement la photoluminescence et l'intensité de l'émission est liée à la teneur en azote ; Les points quantiques de carbone dopés au silicium (Si) peuvent présenter une réponse spécifique au H2O2.

Composite de points quantiques de carbone

Les composites à points quantiques de carbone peuvent combiner leurs propriétés de fluorescence avec les propriétés électriques, magnétiques, optiques et autres des nanoparticules inorganiques pour répondre aux besoins de différents domaines d'application. Selon les propriétés des matériaux composites, ils peuvent être divisés en deux types : les composites de métaux précieux (comme l'Ag) et les composites semi-conducteurs (comme le TiO2, Fe2O3, Cu2O, etc.).

carbon quantum dots


L'application des points quantiques de carbone

Les points quantiques de carbone possèdent de nombreuses excellentes propriétés telles qu'une forte photoluminescence, une forte capacité de transfert d'électrons et une bonne biocompatibilité, et ont une énorme valeur d'application potentielle dans des domaines tels que la biologie, la médecine, le génie chimique et l'électronique.


Bioimagerie

La forte luminescence et la bonne faible toxicité biologique des points quantiques de carbone peuvent être utilisées pour remplacer les points quantiques semi-conducteurs et les colorants organiques. Par rapport aux marqueurs cellulaires traditionnels, leur plus grand avantage est la luminescence multicolore, qui permet aux chercheurs de contrôler et de sélectionner les longueurs d'onde d'excitation et d'émission en fonction des différents besoins d'imagerie. Avec l’approfondissement de la recherche, le ciblage cellulaire sélectif des points quantiques de carbone offre de larges perspectives d’application dans le domaine de l’imagerie biologique à l’avenir.


Traitement des maladies

Les points quantiques de carbone peuvent servir de photosensibilisateurs pour certaines tumeurs spécifiques, tandis que les points quantiques de carbone regroupés dans des zones spécifiques peuvent inhiber la croissance des cellules cancéreuses grâce à une irradiation à une longueur d'onde spécifique. Les chercheurs l’utilisent également comme nanoporteur et traqueur pour surveiller le processus d’administration de médicaments ou de gènes. En surveillant le signal de fluorescence des points quantiques de carbone, l’effet d’administration des médicaments peut être déduit, optimisant ainsi la méthode d’injection et le dosage des médicaments.


Matériaux luminescents

En raison de leurs excellentes propriétés optoélectroniques, les points quantiques de carbone peuvent être utilisés pour la conversion photoélectrique. Mirtchev et coll. cellules solaires au dioxyde de titane sensibilisées aux points quantiques de carbone préparées.


Applications photocatalytiques

La surface des points quantiques de carbone possède de nombreux groupes fonctionnels et une excellente capacité de transfert d’électrons, ce qui leur confère d’excellentes performances catalytiques photocatalytiques et électrochimiques. Yu et coll. préparé des nanocomposites P25 TiO2 à points quantiques de carbone en utilisant une méthode hydrothermale en une étape. Les points quantiques de carbone servent de pools de stockage d’électrons et peuvent favoriser efficacement la génération catalytique d’hydrogène de P25 TiO2 sous irradiation UV.


Détection chimique

La faible toxicité, la biocompatibilité et la photostabilité des points quantiques de carbone peuvent être utilisées pour détecter des molécules telles que des ions métalliques, des métaux et des anions.


Encre fluorescente

Les points quantiques de carbone peuvent émettre une fluorescence significative sous irradiation par la lumière ultraviolette et avoir une forte photostabilité, ce qui les rend utilisés comme encres fluorescentes. Gao et coll. points quantiques de carbone incolores imprimés sur des découpes de papier pour l'encre anti-contrefaçon et le cryptage des informations.


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