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。當石墨烯尺寸縮小到幾納米(nm)時，它就變成了石墨烯量子點，表現(xiàn)出熒光和半導體特性。石墨烯量子點作為一種新型材料可用于各種應(yīng)用，包括顯示屏、太陽能電池、二次電池、生物成像、照明、光催化和傳感器。對石墨烯量子點的興趣正在增長，因為最近的研究表明，控制某些材料碳結(jié)構(gòu)中雜原子(如氮、硫和磷)的比例可以增強它們的光學、電學和催化性能。
韓國科學技術(shù)研究院(KIST，Seok-Jin Yoon 院長)報道稱，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)導的研究小組開發(fā)了一種精確控制鍵合的技術(shù)石墨烯量子點中單個雜原子的結(jié)構(gòu)，是一種零維碳納米材料，通過簡單的化學反應(yīng)控制;并且他們確定了相關(guān)的反應(yīng)機制。
為了控制石墨烯量子點內(nèi)的雜原子摻入，研究人員之前曾研究過使用添加劑在點本身已經(jīng)合成后將雜原子引入點中。然后必須進一步純化該點，因此該方法在整個制造過程中增加了幾個步驟。研究的另一種方法涉及同時使用多種有機前體(它們是點合成的主要成分)以及含有雜原子的添加劑。然而，這些方法具有明顯的缺點，包括最終產(chǎn)物的結(jié)晶度降低和總反應(yīng)收率較低，因為必須實施幾個額外的純化步驟。此外，為了獲得具有制造商所需化學成分的量子點，必須優(yōu)化各種反應(yīng)條件，例如添加劑的比例。這將不可避免地導致整個過程持續(xù)時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，新開發(fā)的工藝使用在合成過程中被中和的弱堿性前體，這意味著該工藝的優(yōu)點是生產(chǎn)的石墨烯量子點在準備使用之前不需要額外的處理。
研究小組還使用基于計算化學的計算機建模發(fā)現(xiàn)，石墨烯量子點合成過程中使用的溶劑會影響有機前體富馬腈的氧化，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產(chǎn)品的化學成分。此外，基于所使用的特定溶劑計算的有機前體的理論氧化能值經(jīng)實驗證明具有預(yù)測最終石墨烯量子點的大致化學成分的能力。
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