グラフェン現在、最も人気のある研究材料の 1 つです。高導電性、高熱伝導性、良好な機械的特性など多くの優れた特性を持っています。最近ではグラフェンを材料とした量子ドットも注目を集めています。グラフェン量子ドットは、次世代の光、電気、エネルギー貯蔵デバイスにとって重要な材料とみなされており、さまざまな用途における優れた性能上の利点により注目を集めています。この記事では、グラフェン量子ドットの性質、合成、応用について紹介します。
1. 性能グラフェン量子ドット
グラフェン量子ドットは、通常直径が 10 ナノメートル未満の新しいタイプの炭素材料です。従来の半導体量子ドットと比較して、グラフェン量子ドットには次の利点があります。
(1) サイズ調整可能：グラフェン量子ドットは直径を調整可能です。これにより、グラフェン量子ドットがさまざまな用途でさまざまな特性や機能を発揮できるようになります。
(2) 強力な光電子性能: グラフェン量子ドットのバンド構造により、優れた光学的および電気的特性が得られます。
(3) 優れた安定性: グラフェン量子ドットの表面には多くの官能基があり、表面の化学的性質を安定させることができます。
2. グラフェン量子ドットの合成
グラフェン量子ドットを調製するには、トップダウンとボトムアップの 2 つの方法があります。
トップダウン合成
トップダウンアプローチとは、大型材料を物理的または化学的にエッチングしてナノスケールのグラフェン量子ドットを形成することを指し、これは溶媒による熱的、電気化学的、および化学的剥離経路を通じて調製できます。
溶媒熱法は、グラフェン量子ドットを製造するための多くの方法の 1 つであり、そのプロセスは 3 つのステップに分けることができます。まず、真空状態で高温下で酸化グラフェンをグラフェン ナノシートに還元します。濃硫酸および濃硝酸中でグラフェンナノシートを酸化および切断する。最後に、酸化したグラフェンナノシートを溶媒熱環境中で還元してグラフェン量子ドットを形成します。
グラフェン量子ドットの電気化学的調製プロセスは 3 つの段階に要約できます。段階はグラファイトが剥離してグラフェンを形成しようとする誘導期であり、電解質の色が無色から黄色、そして暗色に変化し始めます。茶色;第 2 段階では、アノード内のグラファイトが大幅に膨張します。第 3 段階は、黒鉛フレークがアノードから剥がれ、電解質とともに黒色の溶液を形成する段階です。第 2 段階と第 3 段階では、ビーカーの底に沈殿物が見つかりました。電気化学反応では、水とイオン液体中の陰イオンとの間に相互作用があるため、水とイオン液体の比率を変えることによって生成物の形状とサイズ分布を調整できます。イオン濃度の高い電解質から作製した量子ドットのサイズは、イオン濃度の低い電解質よりも大きくなります。
炭素繊維の化学剥離の原理は、化学反応によって炭素源を層ごとに剥離してグラフェン量子ドットを得るというものです。ペンら。炭素源として樹脂系炭素繊維を使用し、繊維内に積層された黒鉛を酸処理により剥離した。グラフェン量子ドットは 1 ステップで得られますが、その粒子サイズは不均一です。
ボトムアップ合成
ボトムアップアプローチとは、主に溶液化学、超音波、マイクロ波法などの調製経路を通じて、一連の相互作用力を通じて前駆体としてより小さな構造単位を使用してグラフェン量子ドットを調製することを指します。
溶液化学法は、主にアリール酸化縮合の溶液相化学法を通じてグラフェン量子ドットを調製するために使用されます。合成プロセスには、小分子（3-ヨード-4-ブロモアニリンまたは他のベンゼン誘導体）ポリマーの段階的な縮合反応によってポリスチレン樹枝状前駆体が得られ、続いて酸化反応によってグラフェン基が得られ、最後にエッチングによってグラフェン量子ドットが得られます。
マイクロ波の原理では、糖類（グルコース、フルクトースなど）を炭素源として使用します。これは、糖類が脱水後に C=C を形成し、グラフェン量子ドットの基本骨格単位を形成できるためです。ヒドロキシル基とカルボキシル基の水素元素と酸素元素は水熱環境で脱水されて除去されますが、残りの官能基はグラフェン量子ドットの表面に結合したままになります。それらは不動態層として存在し、グラフェン量子ドットに良好な水溶性と蛍光特性を持たせることができます。
3. グラフェン量子ドットの応用
グラフェン量子ドットには、複数の分野で幅広い応用の可能性があります。これらのアプリケーションの一部を次に示します。
(1) 生物医学分野：グラフェン量子ドットは生体適合性に優れており、細胞イメージング、薬物放出制御、生体分子センシングなどの分野で広く使用されています。
(2) 蛍光体：グラフェン量子ドットは高い蛍光強度と蛍光量子収率を有するため、ディスプレイや蛍光インクなどの分野で利用可能です。
(3) 光電子エネルギー貯蔵装置: グラフェン量子ドットの良好な導電性と高い比表面積により、スーパーキャパシター、リチウムイオン電池、その他の用途の電極材料として使用できます。
要約すると、グラフェン量子ドットは新素材として注目を集めています。グラフェン量子ドットの作製方法はまだ十分に成熟していませんが、生物医学、蛍光材料、エネルギー貯蔵などの分野での幅広い応用の可能性が期待されています。
