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功能纳米材料

石墨烯量子点

合成石墨烯量子点的传统方法使用成本高的原材料,例如石墨烯1或光子晶体2,产率相当低;激光烧蚀方法3,电子束光刻4或电化学合成方法5 GQD的商业使用实际上是不可能的,因为需要诸如此类的昂贵方法。最近的研究报道了用相当便宜的有机化合物(例如柠檬酸/脲6)制备GQD的方法,可以降低生产成本并进行大规模合成。此外,从最便宜的已知材料煤炭中合成GQD的方法7进一步增加了将来将GQD用于商业产品的可能性。由于其较低的制造成本,煤衍生的GQD具有大规模工业应用的潜力,并且可能能够替代传统的无机量子点,从而成为具有成本效益和环保的替代品。


    合成石墨烯量子点的传统方法使用成本高的原材料,例如石墨烯1或光子晶体2,产率相当低;激光烧蚀方法3,电子束光刻4或电化学合成方法5 GQD的商业使用实际上是不可能的,因为需要诸如此类的昂贵方法。最近的研究报道了用相当便宜的有机化合物(例如柠檬酸/脲6)制备GQD的方法,可以降低生产成本并进行大规模合成。此外,从最便宜的已知材料煤炭中合成GQD的方法7进一步增加了将来将GQD用于商业产品的可能性。由于其较低的制造成本,煤衍生的GQD具有大规模工业应用的潜力,并且可能能够替代传统的无机量子点,从而成为具有成本效益和环保的替代品。


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左图显示了石墨烯量子点的典型光致发光(PL)和UV-VIS特性,表1显示了Sigma-Aldrich销售的GQD的PL特性。


石墨烯量子点的UV-VIS特性。 (a)GQD激发和发射强度的等高线图。 (b)在350nm激发的GQD的光致发光发射。 (c)GQD吸收光谱。


石墨烯量子点的表征

可以通过调整制造工艺参数(例如原材料,温度和反应时间)来制备各种高质量的石墨烯量子点。 下图显示了发出蓝光的GQD(900708)的代表性光学和TEM图像。 从GQD可以看出,通常以直径小于5nm,高度为1至2.0nm的圆盘形式获得透明稳定的水分散体。


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发射蓝光的石墨烯量子点的代表性光学和TEM图像。 (a)高浓度GQD分散体的光学图像。 (b)用可见光(左)和365 nm紫外线(右)照射的稀释GQD分散体的光学图像。 (c)代表性的TEM图像。 插图:GQD的HR-TEM图像。


石墨烯量子点的应用


电子制品


石墨烯在太阳能电池中的用途

石墨烯的透明度,电导率,机械强度,高表面积和可调带隙在太阳能电池设备中可以发挥多种不同的作用,例如透明导电电极和电子传输层。通过使用石墨烯将氧化钼和氧化锌层引入太阳能电池中已经获得了高效率。


燃料电池应用

石墨烯用作氢燃料电池中的质子交换膜。对于该应用,必须在石墨烯中引入特征缺陷。


下一代电池应用

通过将石墨烯复合材料应用于锂离子电池用负极材料,可以提高充放电率,能量密度和循环特性。此外,石墨烯复合材料具有改善电池容量,充电时间和寿命的潜力。


用于超级电容器

碳基材料,特别是那些具有高表面积的材料,由于其优异的物理和化学性能而被广泛用作双电层电容器的电极材料。当前,已经报道了具有与镍氢(Ni-MH)电池相同能量的第一代石墨烯基超级电容器。

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纳米复合材料

石墨烯的机械,化学和电学性质使其可用于合成纳米复合材料。将石墨烯掺杂到金属和塑料中可以提高复合材料的拉伸强度,该强度比铁强200倍左右。据报道,用约3%的石墨烯掺杂聚合物可改善聚合物的电导率。


导电油墨,涂料

将石墨烯涂在金属表面上时,它充当腐蚀屏障,并防止金属表面与水或氧气接触。石墨烯墨水可以添加诸如导电性,抗静电性,电磁屏蔽等特性。


阻气膜

无缺陷的石墨烯和氧化石墨烯也已用于创建不可渗透的屏障。干燥的氧化石墨烯片甚至不能穿透氦气。但是,当浸入水中时,氧化石墨烯会充当分子筛,从而阻挡大离子,同时允许较小的离子通过。通过产生诸如孔的缺陷,石墨烯膜可用于分离应用。

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生物医学生物传感器

氧化石墨烯(GO:氧化石墨烯)和还原氧化石墨烯(rGO:还原氧化石墨烯)用于制造生物相关化学物质的传感器。氧化石墨烯的荧光猝灭特性用于利用FRET(荧光共振能量转移)效应的传感器。场效应晶体管(FET)生物传感器也用于检测葡萄糖和DNA。


药物输送

氧化石墨烯也是具有表面活性剂作用的片材,因为它具有亲水和疏水区域。该性质用于溶解疏水性药物。如果确认氧化石墨烯是无毒材料,则它可以代替高分子胶束进行药物递送。氧化石墨烯可以与共轭聚合物,蛋白质和其他生物相关分子结合,并有望用于控制药物释放。


在组织工程中的应用

石墨烯还具有独特的特性,如生物相容性,化学惰性和表面结构,因此也适用于细胞培养。石墨烯的优异电导率可用于控制细胞功能的新一代生物活性支架材料。石墨烯/壳聚糖复合材料用作细胞培养和组织工程的导电载体。石墨烯有望作为骨骼,神经干细胞和其他细胞(包括胶原蛋白)生长的支架材料。

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