氧化石墨烯結構特徵與發光特性的研究

《氧化石墨烯結構特徵與發光特性的研究》是依託四川大學，由郭勇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氧化石墨烯結構特徵與發光特性的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郭勇
• 依託單位：四川大學

項目摘要

石墨烯因其二維周期蜂窩狀點陣結構而具有獨特的電子結構和光電性質，氧化石墨烯納米材料有發光穩定、水溶性好、生物相容性好、表面易於化學修飾的特點，因而在光學、材料學和生物醫藥分析中具有重要的套用前景。本項目擬採用電化學氧化法製備以氧化石墨烯為基體的光致發光材料。通過化學環境輔助，以及控制電壓、電解液組成和電解模式等氧化條件，並結合凝膠和電泳分離，以得到粒徑集中、氧化類型不同的彩色發光氧化石墨烯；並使用多種表征手段研究此材料的特殊結構；研究此材料的螢光、磷光和電致化學發光特性；在實驗基礎上，結合理論計算方法研究氧化石墨烯納米材料的發光機理，探討氧化石墨烯的結構特徵與其發光特性的關係。通過本項目的工作，實現對於氧化石墨烯的可控制備分離，從微觀結構和電子特性上探明氧化石墨烯結構特徵對發光特性的影響關係，項目成果對於氧化石墨烯的製備分離和發光分析的研究及其套用有重要的理論和實踐意義。

結題摘要

在國家自然科學基金（21075083）支持下，我們採用實驗和理論方法較系統的研究了石墨烯基材料和納米碳材料的合成製備以及在光學、電學、電化學以及感測等領域的套用。其基本研究情況如下： 首先，研究建立了一套採用多種碳源、簡單經濟、高效可控的深度氧化製備具有螢光特性的氧化石墨烯及石墨烯量子點的合成製備方法。採用多種表征分析手段，結合光譜學研究探明其結構特徵和發光特性的關係，所製備的氧化石墨烯發光區間為530 - 550 nm，通過可控氧化，調整氧化程度和結構形貌，實現發射峰逐漸藍移。具有螢光特性的石墨烯量子點大小在2 - 5 nm之間，其螢光光譜位於355 - 440 nm 之間，螢光量子產率從3.18% 到 9.48%。同時研究了以芳香類小分子化合物為碳源，以微波輔助合成合成不同粒徑大小且具有螢光性能的碳點。 其次，採用量子化學方法含時密度泛函理論（TDDFT）研究了氧化石墨烯的結構特徵與發光特性的相關關係。研究表明，隨石墨烯量子點尺寸增大，吸收和發射光譜均發生紅移。氧化程度越高，紅移越明顯。此外，探討了不同溶劑中的光譜過程。採用第一性原理研究了邊緣氧化對石墨烯量子點的穩定性和半金屬性的影響，同時探討了HCN在氧化石墨烯上的吸附行為。 在理論和實驗研究的基礎上，設計合成了一系列碳基-納米材料和複合材料並將其套用到電化學感測分析領域。在氧化石墨烯/金納米複合材料修飾的玻碳電極表面修飾Cyt c，作為檢測亞硝酸根離子的電化學感測器。合成表征了納米碳球，採用黃原酸對其功能化從而製備出銅離子電化學感測器，其線性回響範圍為8.0×10-8 - 2.2×10-6 M，檢出限為3.55×10-8 M。另外，我們還進行了碳材料在電化學材料領域的研究，採用簡便電化學剝離石墨法製備了形貌可控的氧化石墨，可作為具有良好的循環穩定性的電極材料，在0.1 C條件下，其容量密度高達631 mAhg-1，在1 C條件下達到497 mAhg-1。 在基金的支持下，我們按計畫完成了課題的研究，取得了較好的研究成果並在SCI學術期刊上發表文章15篇。