Riscolpitura di punti di carbonio tramite attacco elettrochimico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3710 (2023) Citare questo articolo

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Sforzi sostanziali sono diretti all'esplorazione delle relazioni struttura-proprietà dei punti di carbonio fotoluminescenti (punti C). Questo studio svela un meccanismo di riscolpitura nei punti C che viene attivato dall'attacco elettrochimico e procede attraverso un'estesa ossidazione superficiale e la rottura del carbonio-carbonio. Il processo comporta il graduale restringimento delle nanoparticelle e può aumentare la resa quantica di oltre la metà dell’ordine di grandezza rispetto agli analoghi non trattati.

Essendo uno dei tipi più promettenti di nanoemettitori, i punti di carbonio (abbreviati come punti C) mostrano una caratteristica emissione dipendente dalla lunghezza d'onda di eccitazione e una notevole resistenza al fotosbiancamento, mostrando caratteristiche prestazionali simili ai punti quantici (QD) convenzionali a base di metalli pesanti1 ,2,3,4,5,6. In termini di composizione elementare, i punti C sono costituiti principalmente da C, H, O, N, mentre numerosi studi suggeriscono che i gruppi funzionali superficiali svolgono un ruolo importante nella loro disperdibilità, stabilità colloidale, proprietà ottiche, tossicità, biocompatibilità e assorbimento7.

L'origine esatta del loro comportamento fotoluminescente (PL) non è completamente compresa e quindi lo sviluppo di punti C su misura rimane una sfida aperta. Punti C ben definiti possono essere sintetizzati tramite il trattamento termico di risorse rinnovabili8 tra cui frutta9, erba10, lana11 o precursori molecolari come urea12, etanolamina13, acido citrico14, acido folico15. I punti C derivati ​​piroliticamente vengono generati nella fase acquosa, allo stato solido o in situ all'interno di una matrice polimerica16. A seconda della natura dei materiali di partenza e del metodo sintetico seguito, il grado di grafitizzazione dei punti C può variare considerevolmente da essenzialmente amorfo fino a altamente grafitico17.

In virtù delle caratteristiche desiderate sopra descritte, i punti C vengono sistematicamente esplorati nel rilevamento chimico e biologico18, nel bioimaging19, nella nanomedicina20, nei rivestimenti antimicrobici21, nella nano-forense22, nei fertilizzanti23, nei convertitori di energia24 e nell'elettrocatalisi25. Basti dire che i punti C sperimentano vari livelli di potenziali elettrochimici, quando utilizzati nell'elettrocatalisi, nell'elettrorilevamento, nel fotovoltaico, nelle batterie e nei diodi emettitori di luce. Inoltre, l’elettrogenerazione dei punti C avviene tramite l’esfoliazione di elettrodi composti da grafene, grafite, fibre di carbonio, nanotubi di carbonio26, carbone27 (un approccio top-down) o tramite elettroossidazione/elettropolimerizzazione di piccoli precursori di molecole come alcoli28, acetonitrile29 (un strategia dal basso). Attualmente si stanno perseguendo metodi per consentire un controllo rigoroso delle dimensioni dei punti C e della loro emissione PL, facilitando così ulteriori applicazioni30,31.

In questo lavoro, descriviamo un meccanismo attivato elettrochimicamente che modifica drasticamente le caratteristiche strutturali e le proprietà ottiche dei punti C. Il processo si basa sull'attacco elettrochimico e procede attraverso un'estesa ossidazione superficiale e la rottura del legame carbonio-carbonio. Su questa base, la dimensione delle nanoparticelle viene gradualmente ridotta, mentre la resa quantica (QY) viene aumentata fino al 640%. Per quanto ne sappiamo, questo è il primo studio che fornisce prove concrete sull’azione di questo meccanismo di riscultura altamente efficace nei punti C che offre possibilità di regolazione delle dimensioni e controllo accurato della loro emissione PL.

Gli spettri PL delle dispersioni acquose di punti C (SI Fig. 1) mostrano il caratteristico modello emissivo dipendente da λex nell'intervallo da 380 a 500 nm, nel senso che la lunghezza d'onda di emissione (λem) si sposta verso il rosso all'aumentare di λex. Questo tipo di modalità emissiva è stata assegnata a contributi relativi a transizioni di banda proibita elettronica di domini π coniugati, stati di difetti superficiali, effetti bordo ed emissione potenziata di reticolazione, mentre la presenza di cromofori molecolari è tipicamente associata al verificarsi di contributi distinti λex indipendenti32, 33,34.