取代氮石墨烯量子点:从高效“光致发光”到“光致发电”

氮掺杂的石墨烯量子点结构,表现出高效的“光致发光”和优异的“光致发电”性能

氮掺杂石墨烯量子点(N-doped graphene quantum dots, N-GQDs)是一类新型的碳量子点,其内部电子在各方向上的运动由于受到局限而表现出显著的量子限域效应和边缘效应。当它们的尺寸小于10 nm时,这两个效应将为它们带来新的物理、化学性质。与具有传统的GQDs相比较,N-GQDs除具有价格低廉、带隙可调、光致发光稳定等特点外,N杂原子的引入还将带来新颖的电催化活性、光致发光特性、低的细胞毒性和良好的生物相容性等。因此,它们在光电器件、细胞成像、生物医学等方面都有着巨大的应用潜力。尽管对N-GQDs的早期研究已有一定进展,但是N杂原子在量子点中的N/C原子比通常小于5%,此外N与C键合方式单一,多为吡啶结构,偶见吡咯结构,不易被调控。N与C的另一种键合方式,即一个N杂原子取代石墨烯晶格中的原有C原子成为取代N,并维持原有C的sp2杂化构型,更是很难实现。

最近,东南大学化学化工学院孙岳明教授团队的代云茜博士、龙欢硕士等,与中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室曾杰教授团队、美国麻省理工大学Tingying Helen Zeng博士合作,通过精细调控N杂原子的浓度和N、C键合类型,实现N杂原子对石墨烯晶格C原子的取代,并进一步实现对N-GQDs的包括“光致发光”、“光致发电”在内的光、电学性质的调控。他们采用最常见氨水为N源,实现将大小为几微米的氧化石墨烯片“切割”成大小为3.06±0.78 nm,厚度为0.67±0.12 nm(1-2层)的N-GQDs,边缘呈现圆形或椭圆形。此外,仅需简单地控制氨水的浓度,N/C原子比即可被精确调控在8.3-15.8%。更有趣地是,随着氨水浓度的增加,N原子倾向于与C原子键合为吡咯结构(吡咯氮)并进一步取代石墨烯晶格中的C原子成为取代N。此时,N-GQDs的荧光量子效率高达34.5%,比GQDs高出一个数量级。他们的研究工作同时也发现,过量的N杂原子实际上会导致电子通过非辐射跃迁回到基态、发生荧光猝灭。此外,他们惊喜地观察到,将N-GQDs负载在锐钛矿型TiO2纳米纤维表面后,由于二者能级匹配良好,光生电子由N-GQDs快速注入TiO2导带,同时TiO2特殊的一维纤维结构实现了电子的高效传输,减小了电子-空穴对的复合几率,在可见光或紫外光照射下N-GQDs稳定地输出光电流,有望成为一类极具应用前景的光电转转材料。该工作发表在最新一期Part. Part. Syst. Charact.上(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ppsc.201300268/abstract),并选作为封面论文(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ppsc.201470018/abstract)。

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,以及中央高校基本科研业务费专项资金资助。

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