石墨烯量子点的制备及光催化应用

石墨烯量子点的制备及光催化应用

摘要：石墨烯量子点作为新的零维(0D)材料被提出，因其自身量子约束、边缘效应以及环境友好等特点，引起了世界范围内学术界和工业界的广泛关注。笔者综述了石墨烯量子点(GQDs)不同的制备方法。GQDs具有良好的水溶性，边界富含含氧官能团等优点。

关键词：石墨烯量子点；氧化劈裂法；水热或溶剂法

石墨烯量子点是一种0D石墨烯材料，其特征是原子薄的石墨化平面(通常为

1层或2层，厚度小于2纳米)，横向尺寸通常小于10纳米。与其他碳基材料如

富勒烯、石墨烯等相比，由于其特殊的边缘和量子约束效应，GQDs表现出不同的

化学和物理性质，展现了较好的光学特性，打破了石墨烯在光学应用中的零带隙

限制。荧光性质是GQDs最重要的特征，与传统半导体的量子点相比，GQDs具有

荧光性质稳定、低毒、水溶性好等优点，具有生物相容性的优势。

1 石墨烯量子点制备

1.1氧化劈裂法

氧化劈裂法又称氧化切割，是应用最广泛的一

种切割方法。SHEN等[1]提出，将微米级的二维氧化石墨烯薄片切成小块加入HNO3中，结果表明，制备的GQDs具有上转换荧光性质。ZHOU等[2]提出了一种调

节氧化石墨烯横向尺寸的简单、可控的方法。改法合成的GQDs在重金属离子的

电化学传感方面表现出增强的性能。在以此基础上，CHUA等[3]以富勒烯为起始原

料制备了非常小的GQDs(2-3 nm)。产物表现出较强的发光性能，表明GQDs在光

电子和生物标记方面的潜力。LU等[4]开发了一个简单和肤浅锅GQDs的合成方法。合成的GQDs具有良好的光稳定性、耐盐性、低毒性和良好的生物相容性。

1.2 水热或溶剂法

水热或溶剂热法是制备GQDs的一种简单、快速的方法。PAN等[5]首次以氧化

石墨烯为原料，采用水热法制备了粒径分布为5~13nm的GQDs。TIAN等[6]报道了

一种在二甲基甲酰胺(DMF)环境中应用过氧化氢一步溶剂热法合成GQDs的方法，

该方法在整个制备过程中不引入任何杂质，如图2所示。这是第一次不用透析法，用双氧水从石墨材料中制备GQDs。该方法具有成本极低、水溶性好、量子产率高

等优点。

图2溶剂热法制备的GQDs示意图[6]

2 光催化应用

在众多的碳材料中，GQDs因其优异的性能(带隙的0D半导体、较大表面积和

较高电子迁移率)而成为光催化应用的最佳选择。

TENG等[7]研究证明了氧化石墨烯衍生的氧化石墨烯-量子点在可见光照射下

具有可持续的催化整体水裂解的能力。ZHEN等[8]发现，通过与TiO2形成异质结，可以提高GQDs中电子空穴对的分离效率，从而提高了染料降解的可见光活性

(>420 nm) 被广泛应用于与传统半导体光催化剂耦合。ZHUO等[9]发现了制备GQDs 的超声路线，实验表明TiO2/GQDs复合体系对甲基蓝的降解比可见光下的纯TiO2

有更高的光催化率。由此可见，石墨烯量子点在光催化方面前景可观。

3 结语

石墨烯量子点由于其量子限域效应突破了石墨烯无带隙的限制，依赖其优异

的光学性能，GQDs正在成为医学、光学和能源相关领域的重要功能材料。文中对GQDs的合成制备方法进行综述，然而，与石墨烯相比，GQDs的研究还处于起步

阶段。

1）生产高质量GQDs的合成方法仍是难题。

2）对于GQDs的光致发光机制缺乏理论依据。

参考文献(References)：

[1]SHEN J, ZHU Y, CHEN C. Facile preparation and upconversion lu-minescence of graphene quantum dots[J]. Chemistry Communications, 2011,47:2580-2582.

[2]ZHOU C, JIANG W, VIA BK. Facile synthesis of soluble graphenequantum dots and its improved property in detecting heavy metal ions[J]. Colloids & Surfaces B Biointerfaces, 2014,118:72-76.

[3]CHUA C K, PUMERA, BAKARDJIEVA, et al. Synthesis of Strongly Fl-uorescent Graphene Quantum Dots by Cage-Opening

Buckminsterfullerene[J]. Acs Nano, 2015,9(3):2548-2555.

[4]LU QJ, WU CY, LIU D, et al. A facile and simple method forsy-nthesis of graphene oxide quantum dotsfrom black carbon[J]. Green Chemistry, 2017,19:900–904.

[5]PAN D, ZHANG J, LI Z. Hydrothermal route for cutting graphenesheets into blue-luminescent graphene quantum dots[J]. Advance-dMaterials, 2010,22:734–738.

[6]TIAN R, ZHONG S, WU J, et al. Solvothermal method to preparegraphene quantum dots by hydrogen peroxide[J]. Optical Materials,2016,60:204-208.

[7]Teng H, Teng C Y, Chen S J, et al. Nitrogen-Doped Graphene Oxide Quantum Dots as Photocatalysts for Overall Water-Splittin-g under Visible Light Illumination[J]. Advanced

Materials,2014,26(20):3297-3303.