功能型石墨烯超原子的可控制备、结构与性能表征及应用研究

Graphene is a novel nano-material and has very important application prospect, owing to its unique two-dimensional structure and great physical properties. Nowadays, the study of 2D graphene nanosheets has been on the high-speed track. However, the easy aggregation and the poor dispersion of 2D graphene sheets in common solvents, along with the non-uniform size and shape limit its application in nano-optoeletronic device. To facilitate the application of graphene in such nanodevice, a promising approach is to convert the 2D graphene sheets into 0D grapheme quantum dots (GQDs) with function group. Therefore, this project intends to carry out controllable synthesis, structure and properties characterization and application research of functional graphene quantum dots. The electrochemical approach will be applied for direct preparation of functional GQDs. The method of doping other element or function group will be available for control of the optical and electrical properties of functional graphene quantum dots. The effect of components and microstructures as well as the morphologies on the properties will be discussed based on characterization. The applications of functional GQDs as a new nano-material in nano-optoeletronic field will be also studied. This project will provide new understanding and technique for synthesis and application of functional GQDs, as well as new materials and methods for novel nano-devices.

石墨烯是一种拥有独特的二维晶体结构和优异的物理性能的新型纳米材料，具有重大的应用前景。目前国内外对该材料的研究处于高速发展阶段。为了探索石墨烯材料在纳米光电子领域的潜在应用价值，需要对其进行量子化和功能化，以克服其在常规溶剂中易团聚、分散性差，形状和尺寸难以统一的缺点。因而，本项目将开展功能型石墨烯超原子的可控制备、结构与性能表征和应用的研究工作。采用电化学方法一步实现石墨烯的量子化和功能化，通过元素掺杂和化学修饰技术以及控制反应条件，实现超原子尺寸、组分、形貌和光、电、热等物理特性的可控制备。研究超原子的尺寸、结构以及组分与其性能之间的关系，探索其作为一种新型的碳纳米材料在纳米光电子领域的潜在应用。该项目的确立将为功能型石墨烯超原子材料的制备和应用提供新知识和新技术，为研制新型器件提供新材料和新方法。

目前，石墨烯超原子因其独特的结构和新颖的物理化学性能成为科学界的研究焦点，对其进行结构调控进而实现其性能改善最终探索其在基础领域的应用是广大科学工作者的研究重点。我们在电化学制备石墨烯超原子的基础上，通过调节电解液PH值、电解液种类、电化学参数(反应电压、扫描速率)以及贵金属后修饰成功实现了石墨烯超原子的功能化，对得到的功能型石墨烯超原子进行结构和性能表征，深入探讨了形成机理和性能调控机理，最终，将这些功能型石墨烯超原子应用于光催化、表面增强拉曼散射、氧自由基清除、金属离子检测等领域，取得了一系列研究成果：总结了电化学参数与石墨烯超原子结构及光学性能的相关关系，为研究其发光机理提供了实验依据和理论分析；通过改变电解液的种类实现了不同类型氧官能团含量调控，尤其是通过选用含有目标元素的电解液，得到了元素掺杂的石墨烯超原子，对其性能机理做了详尽的分析；提出了贵金属对石墨烯超原子光致发光性能调控的不同作用机制，得到了贵金属含量与其性能之间的依赖关系；将功能型石墨烯超原子应用于半导体氧化物催化性能的提高，提出了复合物的光催化机理及石墨烯超原子的作用机制；得到了使R6G溶液的探测极限达到8×10-14 M的石墨烯超原子-贵金属/二氧化硅/硅新型表面增强拉曼散射基底，为石墨烯超原子在表面增强拉曼领域的应用提供了新的方法；提出了石墨烯超原子对不同金属离子的响应性，将其应用于微量铜金属离子的检测；将掺杂的石墨烯超原子作为氧自由基清除剂，并分析了掺杂原子在其中的清除作用。