掺杂石墨烯量子点的光化学制备及其光致发光特性研究

Doping is an effective method for changing the electronic structures and to regulate the optical properties of graphene quantum dots(GQDs). The synthesis of doped GQDs by a low-temperature, efficient, and controllable experimental method has not been solved perfectly till now. At the same time, there are still many controversies about the photoluminescence(PL)mechanism of doped GQDs. The photochemical doping is a simple, low-temperature, energy-economic, fast, and efficient experimental method. We have recently synthesized nitrogen doped graphene oxide by using photochemical means and investigated the PL properties of the samples. These indicate that the photochemical means is an effective method for fabricating doped graphene-based materials. In this project, nitrogen, fluorine, and chlorine doped GQDs will be fabricated by using photochemical method, and the aim of controllable synthesis of doped GQDs will be achieved. We will perform systematic studies on the microstructures and PL properties of doped GQDs. Then, the optical properties of GQDs will be adjusted effectively by doping with nitrogen, fluorine, and chlorine. On the basis of the studies above, reasonable physical models of doped GQDs will be built, and density functional theory calculations will be performed to study the electronic structures and optical properties of doped GQDs, and the PL mechanisms of the nitrogen, fluorine, and chlorine doped GQDs will be systematically stated. Our work will provide experimental and theoretical supports for extending GQDs’ applications in optical and other fields.

掺杂是改变石墨烯量子点电子结构从而调控其光学性质的一种有效的方法。目前，掺杂石墨烯量子点的低温、高效、可控制备尚没有得到很好的解决，而且，关于其光致发光机理仍然存在许多争论。光化学掺杂是一种简单、低温、节能、快速而有效的实验手段。最近，我们已成功利用该方法制备了氮掺杂氧化石墨烯并研究了其光致发光特性，这表明光化学方法是制备掺杂石墨烯基样品的有效途径。本项目将以光化学方法对石墨烯量子点进行氮、氟、氯掺杂，实现掺杂石墨烯量子点的可控合成；并对其微观结构和光致发光特性进行系统分析，实现对其光学特性的有效调控。在此基础上，建立合理的物理模型，采用密度泛函理论计算其电子结构和光学性质，进而系统地阐述氮、氟、氯掺杂石墨烯量子点的发光机制。我们的工作将为拓展石墨烯量子点在光学及其他领域的应用提供实验和理论支持。

石墨烯量子点 (GQDs) 在光电器件等领域具有重要的研究价值和应用前景。然而， GQDs普遍存在的荧光量子产率不高、活性位点相对较少、选择性较差等问题严重制约了GQDs 的广泛应用。通过对GQDs掺杂异质原子是调控其能带结构、实现对其性能进行调控、进而拓宽其应用的有效途径。本项目主要通过氮、氟、氯掺杂对氧化石墨烯量子点 (GOQDs)的光学性能进行调控，并对石墨烯基材料的亲、疏水性等性能进行研究，主要研究内容及结果如下：. (1) 利用光化学方法、水热法制备了氮、氟、氯掺杂GOQDs，并对其光致发光(PL)性能进行系统的研究。通过氮、氟掺杂实现了对GOQDs的PL峰位从长波长向短波长方向调控，氮、氟掺杂GOQDs的PL最大蓝移量分别达到88 nm和77 nm，并基于第一性原理对氮、氟掺杂GOQDs出现的PL蓝移现象进行计算分析，阐述了其发光机制，为对GOQDs的光学性能调控及发光机制的理解提供实验和理论的支持。. (2) 基于第一性原理计算对氟化石墨烯的亲疏水性及热稳定性调控进行研究，揭示了可通过氟化和去氟策略调控石墨烯的亲疏水性，揭示了氟化石墨烯表面存在迁移壁垒，为实验研究提供支撑。. (3) 利用光化学方法制备得到氨基化石墨烯，研究表明氨基官能团能在石墨烯中引入磁矩，引入磁矩的效率达到1 uB/100NH2。. (4) 构建了GQDs与二氧化钛纳米管复合物，利用GQDs和硫化镉共修饰二氧化钛纳米管,或者利用氮掺杂及GQDs的协同催化作用，均能提高TiO2两倍以上的光催化效率，为拓宽GQDs在光催化领域的应用提供支撑。. (5) 研究了卤化铅钙钛矿量子点（CsPbBr3、CsPbI3）与氧化石墨烯复合后出现的Burstein-Moss (布尔斯坦-莫斯)型荧光蓝移现象，揭示了载流子从氧化石墨烯向卤化铅钙钛矿量子点传输是导致其出现Burstein-Moss型PL蓝移现象的主要原因。