量子点嵌入氧化石墨烯薄膜的构建及功能化改性研究

Unique structural features and hydrophilic functional groups of graphene quantum dots and graphene oxide result in great potential in membrane modification. The project intends to combine both excellent properties of GQDs and GO, the band gap, conductivity and device performance of reduced GO films could be modulated by embedded quantum dots, doping and the reduction. Mainly includes: (1)The large-area film was prepared by solvent processing GO，design and preparation of GO and GQDs composite films, research on the structure of the GO-based material and regulation of the new assembly. (2)the composite films based on GO was modified by the use of appropriate reduction process and doping, the microstructures，conductivity, band gap, the film performance could be modulated by embedded quantum dots, and doping using X-ray photoelectron spectroscopy diffraction, Raman spectroscopy and electronic transport properties test technology, explore the influence on the film properties duo to GQDs internal quantum effects. (3)By synthesizing novel construction, low-cost preparation of graphene-based field transistor and electrode materials for supercapacitor, explore the electronic transport properties, magnetoresistance effect of the GO-based composite film, and the mechanism of capacitor performance duo to GQDs embedded to GO formation of large specific surface area in the supercapacitor， it will supply the practical and theoretical references for the design and application of electronics based on graphene.

石墨烯量子点(GQDs)和氧化石墨烯(GO) 因其独特的结构特点和亲水性官能团使其在膜改性方面有很大的潜力。本项目拟结合GQDs和GO两者优异特性，通过嵌入GQDs，掺杂并还原GO基薄膜来调控其能级结构、电输运性质和器件性能。主要研究包括：（1）采用溶剂处理GO制备大面积薄膜，设计并制备GO和GQDs复合薄膜，开展对GO基薄膜结构调控和新型组装体的研究；（2）对GQDs-GO薄膜采用合适的还原工艺并掺杂，对其进行修饰改性，利用光电子能谱、拉曼光谱及电输运测试等手段研究嵌入GQDs、掺杂对结构、电输运性质和能带的调控，探索GQDs内部量子效应对薄膜性能的影响；（3）低成本制备石墨烯基场晶体管装置和超级电容器电极材料，探索GQDs-GO薄膜的电输运性质、磁电阻效应以及GQDs嵌入GO形成大的比表面积对超级电容器电容性能的作用机理，为石墨烯体系的电子器件的设计与应用提供实验和理论依据。

碳纳米材料如石墨烯量子点(GQDs)、螺旋碳管（HCNTs）和氧化石墨烯(GO)等因其独特结构和优异的光电性能在柔性器件应用方面优势明显。按照原研究计划安排，本项目拟采用GQDs、HCNTs 和GO等低维碳纳米材料作结构单元，充分利用各自优异特性，通过嵌入GQDs和HCNTs，掺杂并还原GO基薄膜来调控其能级结构、电输运性质和器件性能。在项目实际实施过程中，则根据新出现的问题与国内外相关研究最新进展，对部分研究计划与内容作了适当的调整。本项目提出利用氧化石墨烯量子点诱导实现高氮掺杂的思路。由于GQDs有丰富的边缘位点和表面官能团，基于石墨烯/量子点的小尺寸结构和良好界面亲和性特点，为掺杂氮提供了活点，从而获得高氮掺杂石墨烯材料。另外GQDs作为柱撑体将石墨烯片层撑开，能抑制石墨烯的团聚，保持材料高的比表面积，明显提高导电率，同时为电子供体与电解质作用提供赝电容。此外，对基于HCNTs自支撑柔性薄膜的构建已经做了大量实质性的实验工作，如采用镍为催化剂CVD成功制备螺旋碳管，通过溶液处理，利用HCNTs能够承受大比例变形可拉伸高度柔性的优势，GO良好的分散性，GO也可作为合成独特2D纳米结构碳材料的模板，在纳米碳内进一步形成微孔和中孔结构，可促进离子和电子传输过程和增加比表面积，提高材料的电化学性能。所取得的这些创新性研究成果形成了14篇较高质量的研究论文，并已发表在“Electrochim. Acta ”、“Appl. Surf. Sci. ”、“J. Colloid Inter. Sci.”等国际重要学术期刊，授权专利一项，研究成果获得2020年度广西科学技术奖自然科学类二等奖（排名第三）。可望为后续开发应用于燃料电池、超级电容器、传感器及锂离子电池等器件提供有益的新思路。