单层氧化石墨烯光电功能特性的激光改性研究

It's very important to use efficiently the graphite resources for Shanxi Province which has rich graphite mineral resources. There are a lot of uncertainties as almost all reductions for graphene oxides (GO) have been ensemble studies, and weak manipulating for optical properties also needs us carry out the project to reduce the GO at the single-sheet level. We study the light field and the electric field response of the sp^2/sp^3 clusters of GO in theory. According of the different migration and dissociation energies needed for various oxygen-containing functional groups, we use the UV, visible and near-infrared laser to change the oxygen-containing functional groups of GO, respectively. The fluorescence emission and optical absorption of rGO will be studied in electric field, and effectively improve the efficiency of laser reduction for GO by optimizing experimental conditions. Combined with electric field causes GO fluorescence radiation intensity and optical absorption rate increased more than two orders of magnitude, which can provide the theoretical and technological foundation for the development of photoelectric functional materials based GO.

山西省具有丰富的石墨矿产资源，研究对石墨资源的高效利用具有重要的意义。本项目针对目前氧化石墨烯系综样品改性研究过程中的不确定性及光学特性外场可操控性较弱等关键问题开展单层氧化石墨烯激光改性的研究。理论研究不同的sp^2碳团簇和sp^3含氧官能团簇分布对光场和电场的响应特性。基于单层氧化石墨烯中各含氧官能团具有不同的解离能和迁移能，利用紫外、可见光和近红外波段的激光对单层氧化石墨烯中的含氧官能团的含量、空间排布进行确定性的激光改性。研究不同激光改性方式下的单层氧化石墨烯在电场操控作用下的荧光辐射特性和光学吸收特性，通过优化实验条件有效地提高氧化石墨烯的激光改性的效率，结合电场操控的手段使氧化石墨烯荧光辐射强度和光学吸收率提高两个数量级以上，为开发基于氧化石墨烯的新型光电功能材料奠定理论和实验基础。

本项目针对氧化石墨烯（GO）系综样品改性研究过程中的不确定性及光学特性外场可操控性较弱等关键问题开展单层GO激光改性及其应用研究。本项目在研究期间主要获得以下四个方面的成果。1）GO光致还原作用机理的研究。研究了GO荧光强度、荧光寿命、吸收强度、表面形貌随激光照射时间、照射功率的变化关系，利用时间关联单光子计数技术测量了光致还原单层GO过程中荧光寿命变化，分析了GO光致还原的动力学过程及反应路径。研究表明GO荧光主要源于GO中sp^2团簇和羟基，其中sp^2团簇荧光辐射较弱寿命约0.14ns且不随激光照射而改变，而羟基荧光辐射较强寿命约1.37ns并且随着激光照射其强度发生急剧变化。2）利用光场调控GO荧光强度和寿命特性实现了微纳图形制备与信息存储。通过改变光致还原过程中激光的照射时间和功率，实现了对GO还原程度、荧光强度和荧光寿命的精确调控。通过调节GO薄膜局部光学特性，获得了具有准均匀荧光发射特性的GO薄膜，并制备了复杂的高分辨微纳结构，其误码率低于0.2%。通过精确调控局部还原程度以调节其荧光寿命，实现了基于荧光寿命变化的微纳图形制备。3）首次利用光场调控实现了对GO与量子点之间荧光共振能量转移的操控。分别测量了玻璃基片和GO膜上量子点的荧光发射特性，发现玻璃基片上量子点荧光强度和寿命均大于GO膜基片上荧光强度和寿命。GO膜上量子点荧光强度和寿命随GO还原程度的增加而减小。通过调节GO还原程度，使转移效率由0.30提升至0.70；能量转移速率由2.5×10^-3ns^-1增大到14×10^-3ns^-1，实现了对量子点荧光辐射特性的调控。4）研究了GO及光致还原GO对染料分子及重金属离子的吸附作用。由于GO与还原GO具有较高的比表面积能够作为一种良好的吸附材料，研究结果表明光致还原GO对阴离子染料吸附量具有4倍以上的提升，初始吸附速率也较GO有33倍的提升，且具有很好的循环利用效果，研究也发现GO与还原GO对染料分子、重金属离子的吸附都为放热过程。该研究可以促进石墨烯类材料提高污水处理能力、缓解淡水资源短缺。