【研究背景】

石墨烯(Graphene)是一种新型的二维碳同素异形体，近年来受到诸多的关注。其独特的sp²碳原子和高度的π共轭结构在催化、传感器、能源转化和存储等领域具有广阔的应用前景。作为其0维纳米材料的石墨烯量子点（GQD）也具有一些独特的优点如量子限域产生的带隙、良好的分散性、更丰富的活性位点(边缘、官能团、掺杂剂等)、生物相容性、更好的化学物理性能可调性、与生物分子的尺寸相当等，因此GQD在能量转换和存储，电/光/化学催化，柔性装置、传感、显示，生物成像和治疗诊断中的新应用而引起了越来越多的关注。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学陈鹏教授全面介绍GQD的合成，性能控制以及能量转换和储存，催化，传感器和生物技术中独特应用的最新显著发展。最后，作者还展望了该领域目前的挑战和前景。该成果近日以题为“Recent Advances on Graphene Quantum Dots: From Chemistry and Physics to Applications”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一：GQD的研究概况

主要应用分为：太阳能电池、LED、光电探测器、电池、电容器、催化、成像和治疗。

图二：GQDs的合成方法：由上而下和由下而上

（a-c）由上而下氧化切割石墨，煤和石墨烯氧化物制备GQDs；
（d）还原切割氧化石墨烯制备GQDs；
（e）氧化切割和物理剥离法制备GQDs；
（f-j）分别使用六溴苯/甲苯、柠檬酸、去甲肾上腺素、1,3,6-三硝基芘和ATP利用由下而上的方法制备GQDs。

图三：合成控制GQD的性质

（a）由不同孔径的膜筛分的GQD表现出不同的带隙结构和荧光图像；
（b）不同切割时间和温度获得不同GQD带隙能量与尺寸的关系；
（c）随着切割剂浓度降低而获得的GQDs尺寸的增加，带隙变窄；
（d）随着氧含量的增加，荧光红移和紫外可见光谱吸收的增强；
（e）随着氮掺杂量的增加，紫外可见光谱吸收随着带隙变窄而增强；
（f）通过扩大π-共轭体系或连接给电子化学基团系统性调控GQD的带隙，使荧光红移。

图四：GQDs在光伏器件中的应用

（a）以石墨烯薄膜为透明电极的GQD/Si异质结太阳能电池及其能带结构图；
（b）以GQDs为下转换光吸收层的GQD/Si异质结太阳能电池的结构；
（c）GQDs作为硅太阳能电池上的光吸收层；
（d）GQDs作为太阳能电池的载流子提取层；
（e）不同带隙GQDs钙钛矿太阳能电池的能带结构；
（f）GQDs有利于染料敏化太阳能电池的光吸收和光生电子空穴对分离。

图五：GQDs在LED中的应用

（a）以GQDs为电致发光磷光剂的LED的物理和能带结构；
（b）使用原始GQD作为发射蓝光的磷光剂的LED的结构；
（c-d）以GQDs为光发射器的有机发光二极管(OLED)的物理和电子结构和偏压13V的电致发光光谱；
（e）GQDs作为LED的颜色转换剂。

图六：GQDs在光电探测器中的应用

（a）基于GQD敏化Si纳米线的光检测器；
（b）使用大带隙GQDs的深紫外光检测器；
（c）GQD/ZnO异质结作为可见光-紫外检测器；
（d）使用发红光的GQD/石墨烯/BN纳米片作为光检测器，实现从紫外到近红外的宽范围的光电检测。

图七：GQDs在超级电容器中的应用

（a）GQD/CNT混合超级电容器的结构及性能；
（b）GQD修饰的Fe3O4-halloysite纳米管作为超级电容器；
（c）GQD/3D石墨烯复合物作为超级电容器；
（d）由于异质结构区域的内置电子逃逸，GQD/MnO2超级电容器显示出高电位窗口。

图八：GQDs在电池中的应用

（a）涂有GQDs的VO2/石墨烯阵列作为锂离子电池和钠离子电池的阴极；
（b）GQD集成硫-碳作为锂硫电池的阴极。

图九：GQDs在催化中的应用

（a）具有分子内Z-scheme结构的GQD作为光催化剂；
（b）N-GQDs催化析氢反应；
（c）用于催化CO2减排N-GQD/Vo-NaTaON；
（d）用于催化NO氧化的GQD/N-Bi2O2CO3异质结；
（e）用于光催化降解污染物的GQD/C3N4异质结；
（f）基于GQD的NiCo2P2纳米催化剂，用于双功能整体水裂解；
（g）GQD-铼配合物具有超低的CO2还原为CO的起始电位。

图十：GQDs在生物成像中的应用

（a）使用GQD-DFOB-Fe³⁺/Fe²⁺探针实时监测细胞内氧化还原动力学；
（b）在405,488和555 nm的激发下通过S，N-GQD标记的A549细胞的CLSM和细胞活力测试；
（c）具有红光发射的GQD用于小鼠的细胞成像和体内成像；
（d）在注射硼掺杂的GQD后不同时间的小鼠部位（心、肝、肾、脾、胃）的MRI成像。

图十一：GQDs在传感器中的应用

（a）使用酪氨酸功能化GQDs对代谢物进行荧光检测；
（b）基于N, S-GQD的金属离子荧光检测；
（c）GQDs阴极ECL传感示意图；
（d）DNA链的ECL检测；
（e）介孔二氧化硅纳米通道膜中GQDs对复杂样品中金属离子的超灵敏电化学检测。

图十二：GQDs在生物治疗中的应用

（a）使用FA功能化的IR780/GQD光热疗法杀死癌细胞并根除小鼠肿瘤；
（b）使用光敏剂（Ce6）功能化GQD的光动力疗法。