Síntesis energéticamente eficiente de puntos cuánticos de alta calidad

Síntesis energéticamente eficiente de puntos cuánticos de alta calidad


En los últimos años, los puntos cuánticos de carbono (CQD) han atraído mucha atención como un material prometedor en la fabricación de diodos emisores de luz (LED), sensores moleculares y otras aplicaciones industriales avanzadas. Un artículo reciente en la revista iciencia se centra en la fabricación de puntos cuánticos de carbono (CQD) a todo color y de alta calidad bajo una presión y temperatura excepcionalmente bajas.

Síntesis energéticamente eficiente de puntos cuánticos de alta calidad​​​​​​

​​​​​​Estudio: puntos cuánticos de carbono a todo color de alta calidad sintetizados en condiciones suaves sin precedentes. Crédito de la foto: Dzmitry Melnikau/Shutterstock.com

Importancia de los puntos cuánticos de carbono (CQD)

Los puntos cuánticos de carbono (CQD), un nuevo tipo de nanopartículas de carbono, se han convertido en competidores potenciales de los puntos cuánticos de semiconductores tradicionales debido a su absorción óptica superior, durabilidad química, baja toxicidad y facilidad de fabricación. Los CQD son nanopartículas de carbono cuasi esféricas compuestas de bases de carbono cristalinas y amorfas.

Los CQD se utilizan en una variedad de sectores, incluidos la bioimagen, el diagnóstico médico, la biomedicina, la detección ambiental, la electrocatálisis y los dispositivos optoelectrónicos. La caracterización de superficies y la pasivación de superficies pueden modificar fácilmente las propiedades fisicoquímicas de los CQD.

Dependiendo de la técnica de síntesis, los grupos funcionales de oxígeno presentes en los CQD pueden modificarse para proporcionar cualidades de fluorescencia notables.

Procesos para fabricar puntos cuánticos de carbono (CQD)

Se han realizado numerosos estudios para desarrollar técnicas innovadoras para fabricar CQD altamente luminiscentes, que se pueden clasificar como técnicas «de arriba hacia abajo» o «de abajo hacia arriba».

Los CQD se fabrican «de arriba hacia abajo» mediante la deconstrucción de materiales de carbono más grandes que contienen muchos sp2 moléculas de carbono hibridadas usando electrodeposición, ablación láser y otras técnicas que consumen energía.

Los reactivos de alta temperatura, alta presión y oxidación fuerte son esenciales para la producción ascendente de CQD a partir de precursores de moléculas pequeñas para carbonizar el carbono sp3 en materiales de carbono. Por lo tanto, los procesos hidrotermales y solvotérmicos se utilizan ampliamente en enfoques «ascendentes».

Limitaciones de los métodos utilizados anteriormente

Además del importante consumo de energía de estas técnicas, las configuraciones de síntesis extremas plantean dudas sobre la seguridad de los métodos y una menor productividad, ya que los precursores se convierten parcialmente en subproductos combustibles.

Además, el extracto utilizado para preparar los CQD debe estar libre de contaminantes. La introducción de impurezas en el extracto tiene un impacto significativo en las propiedades fluorescentes de los CQD. Cuando estos puntos se utilizan para aplicaciones como la detección de iones de metales pesados, es difícil comprender el proceso involucrado en presencia de contaminantes.

Por lo tanto, sigue siendo necesaria la adopción de técnicas sintéticas para CQD que sean energéticamente eficientes, seguras e ingeniosas. Estas tecnologías únicas serían muy útiles para promover el uso de CQD en la industria al evitar procesos de fabricación complicados y un alto consumo de energía.

Créditos fotográficos: Tong, Y.-J. et al. (2022).

Una nueva estrategia de condensación suave para el desarrollo de CQD

En este trabajo, los investigadores utilizaron una técnica de condensación moderada para crear CQD a todo color y de alta calidad. La solución ácida era ácido 1,3,5-bencenotricarboxílico (BTCA), que tiene solo carbono sp2, mientras que las soluciones básicas eran dietilentriamina (DETA) y otros compuestos de fenilendiamina (PDA).

A diferencia de los procesos hidrotérmicos y solvotérmicos, que dependen de altas temperaturas y presiones, el enfoque de un recipiente propuesto para la fabricación de CQD se realizó a una temperatura relativamente baja de 85 °C y cerca de la presión ambiental (alrededor de 1,88 bar).

La influencia de los disolventes se estudió en detalle para obtener los parámetros de reacción ideales. Se descubrió que solo se podía obtener una luminiscencia diversa y de alta calidad cuando se usaba N,N-dimetilformamida (DMF) como disolvente, lo que podría estar relacionado con el aumento de la fuerza iónica de la DMF.

Conclusiones clave del estudio

La técnica de condensación moderada propuesta produce CQD con altos QY, alta potencia de producción, centros luminosos homogéneos y trayectorias de desintegración radiativa dominantes. Además, las condiciones de reacción moderadas permitieron un análisis detallado de las nanoestructuras CQD y las vías de condensación.

Se crearon LED a todo color y detectores de puertas lógicas en base a los CQD de alta calidad adquiridos. Los resultados mostraron que los CQD contenían ricas estrategias de personalización que presentan una gran oportunidad para construir dispositivos avanzados para estudios ecológicos, diagnósticos médicos, pruebas de alimentos y otras aplicaciones.

Perspectivas de la estrategia propuesta para hacer CQDs

Este estudio allana el camino para el uso generalizado de CQD al presentar una innovadora técnica de síntesis moderada para CQD a todo color. Esta investigación también promueve la creación de nuevas técnicas sintéticas moderadas que harán que las estructuras de los CQD sean completamente resolubles en el futuro, lo que será crucial para establecer conexiones inequívocas entre estructura y propiedad.

En este trabajo, se prepararon CQD a todo color en condiciones moderadas con un rendimiento de masa promedio del 69,0 por ciento. Se prevé que los estudios futuros utilicen métodos avanzados de análisis estructural, como la microscopía de túnel de barrido (STM) para explicar mejor el proceso de crecimiento.

referencia

Tong, Y.-J. et al. (2022). Puntos cuánticos de carbono a todo color de alta calidad sintetizados en condiciones suaves sin precedentes. iciencia. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004222006927

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