O que é um ponto quântico de grafeno
O grafeno possui uma ampla gama de possibilidades de aplicação, mas devido às suas características de banda proibida zero, baixa dispersão em água e baixa absorção espectral, não pode ser aplicado em muitas áreas, como optoeletrônica, imagens biológicas e semicondutores. Portanto, a preparação de pontos quânticos de grafeno (GQDs) é um método eficaz para ajustar a banda proibida do grafeno e aplicá-lo em nanodispositivos.

Quando o tamanho lateral dos flocos de grafeno diminui para a nanoescala, eles se tornam GQDs, materiais de dimensão zero (0D) compostos de flocos de grafeno com no máximo cinco camadas. A maioria dos GQDs tem formato circular ou elíptico, embora também existam pontas em triângulos e hexágonos.

Pontos quânticos de grafeno (GQDs) vs grafeno e
A abertura dependente do tamanho das bandas de energia em GQDs devido ao efeito de confinamento quântico é uma das diferenças significativas na fronteira clara entre GQDs e grafeno, e a largura de banda aumenta com a diminuição do tamanho do ponto quântico. A maioria dos GQDs possui lacunas de banda entre 2,2 e 3,1 eV e exibe fluorescência verde ou azul.

Pesquisas constataram que, em comparação com o grafeno, os GQDs possuem uma área superficial específica muito grande e tamanho extremamente reduzido, e suas bordas podem acomodar mais sítios ativos (como grupos funcionais, dopantes, etc.), facilitando sua dispersão em água. Ao mesmo tempo, também apresentam outras características significativas, como baixa toxicidade, boa biocompatibilidade, estabilidade química, fotoluminescência estável e ampla faixa espectral de emissão de fluorescência. Devido a essas propriedades únicas, os GQDs são considerados um material multifuncional avançado com uma ampla gama de aplicações, incluindo tratamento de câncer, células solares, biossensores, LEDs e fotodetectores.

A síntese do GQD pode ser dividida em duas categorias: técnicas de preparação de abordagem de cima para baixo e de abordagem de baixo para cima.

Método de síntese de cima para baixo de pontos quânticos de grafeno
Utilizando materiais de carbono grafitados em forma de bloco (como MWCNTs, grafeno, grafite, óxido de grafeno, carvão, etc.) como precursores. O precursor de carbono será removido durante o processo de reação e cortado nos GQDs desejados por meio de processos químicos, térmicos ou físicos. O processo de síntese top-down utiliza técnicas como corte por oxidação/redução, ablação por laser pulsado (PLA) e corte eletroquímico.

A síntese de pontos quânticos de grafeno utilizando técnicas de corte redutor/oxidante envolve principalmente o uso de agentes redutores ou oxidantes fortes, como tesouras, para cortar grafeno oxidado ou folhas de grafeno. No entanto, esse processo é frequentemente descrito como exigindo o uso de produtos químicos tóxicos e extensas etapas de purificação. Existem também algumas exceções em que oxidantes ambientalmente seguros, como o H₂O₂, podem ser utilizados, e o rendimento pode chegar a mais de 77% sem qualquer purificação.

Os resultados indicam que a aplicação de um potencial elétrico durante o corte eletroquímico pode fazer com que íons carregados penetrem na camada de grafite do precursor. Por exemplo, pesquisadores relataram a síntese de GQDs com tamanho médio de 2 a 3 nanômetros usando um dispositivo simples de esfoliação eletroquímica, que consiste em duas hastes de grafite como eletrodos e ácido cítrico e hidróxido de sódio em água como eletrólitos. Este método também apresenta excelente funcionalização e capacidade de dopagem para GQDs.

Outro método interessante de síntese top-down é o método PLA, que utiliza um feixe de laser focalizado para sintetizar GQDs a partir de flocos de grafite como matéria-prima. Essa tecnologia não requer produtos químicos ácidos fortes, proporcionando uma abordagem viável e ecologicamente correta para a pesquisa de GQDs. Este método pode ser usado para sintetizar GQDs de tamanho uniforme.

Método de síntese de baixo para cima de pontos quânticos de grafeno
A abordagem bottom-up, em vez da top-down, envolve a fusão de moléculas precursoras menores (como ácido cítrico, glicose, etc.) para obter GQDs. Comparados às estratégias top-down, os métodos bottom-up apresentam as vantagens de menos defeitos e tamanho e morfologia ajustáveis. A rota de síntese bottom-up mais famosa é por meio do aquecimento assistido por micro-ondas e banho-maria, realizando gradualmente a síntese orgânica e a preparação de moldes macios.

Um caso típico é o da síntese de ácido cítrico e aminoácidos em GQDs por meio do método hidrotérmico. Nessa tecnologia, o ácido cítrico é preparado carregando o precursor em uma autoclave e submetendo-o a uma reação hidrotérmica em tempo e temperatura específicos. Essa técnica simplifica o processo de introdução de heteroátomos, como enxofre e nitrogênio, em estruturas de GQDs. Por exemplo, há relatos de que o tamanho de GQDs dopados com nitrogênio (N-GQDs) usando ácido cítrico e etilenodiamina é de 5 a 10 nanômetros.

O processo hidrotérmico geralmente leva várias horas, o que o torna inadequado para a síntese de GQDs em escala industrial. O uso de aquecimento assistido por micro-ondas é uma medida corretiva relativamente completa. Utilizando o método de aquecimento por micro-ondas, o tempo necessário para o crescimento de GQDs pode ser reduzido para alguns minutos ou até segundos.

Atualmente, o rendimento dos métodos de síntese de GQDs top-down ou bottom-up existentes é, em sua maioria, inferior a 30%, e esses métodos também exigem operações de purificação caras e demoradas, o que aumenta significativamente o custo final dos GQDs. Portanto, pesquisas futuras devem se concentrar em melhorar o rendimento e simplificar os processos de purificação, para que a aplicação industrial dos GQDs possa ter maiores benefícios econômicos.

A SAT NANO é uma das melhores fornecedoras de pontos quânticos de grafeno e grafeno na China. Se você tiver alguma dúvida, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco pelo e-mail admin@satnano.com.