石墨烯量子点的绿色高效制备与能带调控研究

Graphene quantum dots (GQDs) are considered as one of the most promising fluorescent carbon nano-materials which can replace the semiconductor nanocrystals because of their unique luminescent properties, excellent physical/chemical stability and non-toxic nature. However, low preparation yield, undefined luminescent mechanism and incomplete energy band regulation mechanism limit their future application. Therefore, in this project, we will establish a green efficient preparation route of GQDs based on the electrochemical method; combining with the “core” and “shell” molecular structure of GQDs, we will establish a general energy band regulation mechanism for GQDs which will be achieved by regulating the size of sp2 domain in “core” and surface oxygen functional groups in “shell”, doping elements in “core” and “shell” domain, and non-covalent composite modification method. It can be further revealed the photoluminescence mechanism of GQDs and expand the application direction of GQDs in white light emission materials. The establishment and completion of this project can provide the material basis and theoretical guidance for GQDs’ future practical application.

石墨烯量子点（GQDs）因其独特的发光性能，良好的物理和化学稳定性，无毒的本质，被认为是一种最有前景取代半导体纳米晶的碳纳米荧光材料。然而其低的制备产率、尚不明确的发光机理、不完善的能带调控机制制约了其未来的应用。因此，在本项目中，我们将基于电化学方法建立GQDs的绿色、高效制备途径；结合GQDs分子结构的“核”“壳”特征，通过“核”内sp2域共轭结构的尺寸调节、“壳” 单一氧官能团的实现和调控、“核”“壳”区域的元素掺杂、非共价复合修饰，建立全面的GQDs能带调控机制，并揭示GQDs的光致发光机理；制备基于能带可调控GQDs的白光发射材料。该项目的确立与完成将为GQDs的未来实际应用提供材料基础和理论指导。

石墨烯量子点（GQDs）因其独特的发光性能，良好的物理和化学稳定性，无毒的本质，被认为是一种最有前景取代半导体纳米晶的碳纳米荧光材料。然而其低的制备产率、尚不明确的发光机理、不完善的能带调控机制制约了其未来的应用。我们在本项目的支持下，在前期对GQDs研究工作的基础上，研究如何通过电化学方法建立GQDs的绿色、高效制备途径；如何通过表面界面的化学修饰和元素掺杂，完善GQDs的能带调控机理和揭示其光致发光机理。经过项目组成员四年的研究，我们圆满地完成了研究内容，得到了一系列研究结果。我们通过无机氧化剂、光化学反应等加速电化学制备GQDs的工作电极氧化和剥离，可以在2小时内制备高产量的GQDs，且GQDs在多种溶剂中具有很好的稳定性。通过对GQDs的后氧化或还原处理，调控了GQDs“核”区域的sp2面积、“壳”区域的表面氧官能团总体含量和官能团类型。研究了sp2区域面积、表面官能团含量和种类在其光学吸收、光发射行为中的作用，以及与其能带结构之间的关系。通过多种方式实现了多种元素在GQDs中的掺杂，分析了掺杂原子的位置与掺杂方式，研究了元素掺杂种类与含量对GQDs光吸收和发射行为的影响。通过以上研究，完善了GQDs的能带调控机理，揭示了GQDs的发光来源于其表面态，不同的表面态对应不同的发光颜色，为GQDs的光学性能研究提供了理论依据和基础。同时，我们还研制出单体白光发射的GQDs，有望应用于光学照明系统和白光光学器件中。在本项目资助下，共发表学术论文21篇，申请国家发明专利5项，其中已授权1项。培养硕士毕业生18名，其中已毕业硕士研究生12名，目前还有在读博士生1名，在读硕士生6名；参加国、内外学术交流4人次。项目负责人在2017年晋升为教授,2020年晋升为博士生导师。