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作為石墨烯家族的最新一員，石墨烯量子點(diǎn)( GQDs) 除了具有石墨烯的優(yōu)異性能，還因量子限制效應(yīng)和邊界效應(yīng)而展現(xiàn)出一系列新的特性，因此吸引了化學(xué)、物理、材料和生物等各領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

制備GQDs 主要是兩大類方法———自上而下和自下而上的方法。前者包括水熱法、電化學(xué)法和化學(xué)剝離碳纖維法，后者則主要是溶液化學(xué)法、超聲波法和微波法、可控?zé)峤舛喹h(huán)芳烴法。

自上而下的方法是指通過物理或化學(xué)方法將大尺寸的石墨烯薄片( GSs) 切割成小尺寸的GQDs，包括水熱法、電化學(xué)法和化學(xué)剝離碳纖維法等; 自下而上的方法則是指以小分子作前體通過一系列化學(xué)反應(yīng)制備GQDs，主要是溶液化學(xué)法、超聲波和微波法等。在這些反應(yīng)中，GQDs 因反應(yīng)中加入增溶基團(tuán)而具有良好的水溶性。另外一些較為特殊的方法，如電子束刻蝕和釕催化富勒烯C60開籠法，所需要的苛刻制備條件很大程度上限制了這些方法的推廣。

今天小編主要介紹下制備石墨烯量子點(diǎn)自上而下的方法中的水熱法：

水熱法是制備GQDs 中較常用的一種方法，其工藝一般分三步: 將氧化石墨烯( GO) 真空熱還原為GNSs; 在濃硫酸和濃硝酸中氧化GNSs; 氧化后的GNSs 在水熱環(huán)境下去氧化。水熱法制得的GQDs表現(xiàn)出受激依賴性并只能發(fā)出一種顏色的光( 藍(lán)色或綠色) 。最早報(bào)道的是Pan 等通過酸和水熱環(huán)境化學(xué)切割GNSs 制備GQDs。他們最初獲得的GQDs( 圖1a) 直徑分布5—13 nm，具有水溶性，發(fā)藍(lán)色熒光，但排列較無序。后來經(jīng)過改進(jìn)，以高溫?zé)崽幚砗蟮腉O 片作前體，制得尺寸更小( 1. 5—5 nm) 、結(jié)晶度更好、發(fā)綠色熒光的GQDs。這兩種方法制備的GQDs 熒光性質(zhì)均表現(xiàn)出pH 依賴性( 堿性環(huán)境中發(fā)光，酸性環(huán)境下猝滅) ，量子產(chǎn)率均不高( 7%左右) 。Shen 等[7]通過水合肼還原表面被聚乙二醇( PEG) 鈍化的GO 制備GQDs，后來經(jīng)過改進(jìn)以水熱法還原，與Pan 等相比，不同點(diǎn)主要是加入了PEG 作鈍化劑。改進(jìn)后制得的GQDs 呈單分散狀，在中性水溶液中發(fā)明亮熒光，在酸性和堿性環(huán)境中PL 峰強(qiáng)僅減少25% ，量子產(chǎn)率提高至28. 0%。水熱法制備GQDs 的機(jī)理( 圖1b) 與氧化切割碳納米管解開為GNRs 的機(jī)理相類似: 酸氧化在石墨烯片層邊緣和孔洞位置引入羧基( COOH) ，在基底位置引入環(huán)氧基( C—O—C) 和羰基( C O) 。沿著橫向尺寸方向碳晶格上環(huán)氧基和羰基傾向于形成一條化學(xué)鏈，該鏈由較多羰基和少環(huán)氧基組成，這條鏈將周圍sp2 團(tuán)簇圍住，容易引起該區(qū)C—C 的斷裂。隨后水熱去氧化的反應(yīng)中這條鏈像一條拉鏈一樣被打開，氧原子被移除，而相對(duì)穩(wěn)定的羧基則被保留下來，最終生成水溶性的GQDs。而加入PEG后量子產(chǎn)率提高，可能是因?yàn)楸砻驸g化劑的作用產(chǎn)生了更強(qiáng)的量子限域效應(yīng)，將發(fā)射能量限制在GQDs 表面，從而使產(chǎn)物GQDs-PEG 發(fā)出更強(qiáng)熒光。

 圖1 水熱法制備GQDs: ( a) TEM 圖像; ( b) 反應(yīng)機(jī)理圖
　　

水熱法與其他方法相比量子產(chǎn)率較高，但不足之處在于: 它是基于原材料GO 及其還原產(chǎn)物的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而這些產(chǎn)物是通過一系列的化學(xué)反應(yīng)氧化大量的石墨粉末得到，還原過程通常需添加大量的試劑并耗費(fèi)數(shù)天時(shí)間。

作為一種新型的碳納米結(jié)構(gòu)材料，石墨烯量子點(diǎn)自問世以來，對(duì)其制備方法以及機(jī)理的研究就一直是研究者們探索的熱點(diǎn)，各種簡(jiǎn)單有效的方法被陸續(xù)研究出來。然而目前制備高產(chǎn)率、高質(zhì)量GQDs 仍有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走: 自上而下的方法步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)率較高，但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)GQDs 形貌和尺寸的精確控制。自下而上的方法多數(shù)可控性更強(qiáng)，但步驟繁瑣操作麻煩。另外一些特殊方法所需要的苛刻制備條件更是限制了這些方法的推廣。除此之外，很多機(jī)理性問題沒有解決，如光致發(fā)光( PL) 起源，影響GQDs 帶隙的因素，墨烯材料中的能量弛豫和光譜擴(kuò)散是否受到聚集和層間耦合的影響。應(yīng)用方面也有很多問題，如生物成像時(shí)，GQDs 會(huì)發(fā)出有干擾的藍(lán)色熒光，上轉(zhuǎn)換發(fā)光( UCPL) 強(qiáng)度弱，應(yīng)用在太陽能電池中能量轉(zhuǎn)化率并不高。因此，關(guān)于GQDs 的研究仍然任重而道遠(yuǎn)，為了充分開發(fā)GQDs 優(yōu)異的光、電、磁性能還需要研究更加合理的制備方法。

　　但不容否認(rèn)的是，GQDs 的應(yīng)用前景還是非常值得期待的。因良好的化學(xué)惰性、生物相容性、低毒性、PL 和UCPL等特性，GQDs 有望應(yīng)用在傳感器、拉曼增強(qiáng)、生物成像、疾病檢測(cè)、藥物運(yùn)輸、催化劑以及光電器件等各個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來的工作中，科學(xué)家將會(huì)更多關(guān)注如何通過更好的方法控制合成GQDs，并對(duì)其進(jìn)行表面修飾和復(fù)合，增強(qiáng)熒光強(qiáng)度，使其表現(xiàn)出更好的性能，加速應(yīng)用進(jìn)程。

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