Reesculpendo pontos de carbono por meio de gravação eletroquímica

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3710 (2023) Citar este artigo

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Esforços substanciais são direcionados para explorar as relações estrutura-propriedades dos pontos de carbono fotoluminescentes (pontos C). Este estudo desvenda um mecanismo de remodelação em pontos C que é desencadeado por gravação eletroquímica e prossegue através de extensa oxidação superficial e quebra carbono-carbono. O processo resulta no encolhimento gradual das nanopartículas e pode aumentar o rendimento quântico em mais da metade da ordem de grandeza em comparação com os análogos não tratados.

Como um dos tipos mais promissores de nanoemissores, os pontos de carbono (abreviados como pontos C) exibem emissão característica dependente do comprimento de onda de excitação e notável resistência ao fotobranqueamento, mostrando características de desempenho semelhantes aos pontos quânticos (QDs) convencionais baseados em metais pesados. ,2,3,4,5,6. Em termos de composição elementar, os pontos C consistem principalmente em C, H, O, N, enquanto vários estudos sugerem que os grupos funcionais de superfície desempenham um papel proeminente na sua dispersibilidade, estabilidade coloidal, propriedades ópticas, toxicidade, biocompatibilidade e célula captação7.

A origem exata do seu comportamento fotoluminescente (PL) não é totalmente compreendida e, portanto, o desenvolvimento de pontos C feitos sob medida permanece um desafio em aberto. C-dots bem definidos podem ser sintetizados através de tratamento térmico de recursos renováveis8, incluindo frutas9, grama10, lã11 ou precursores moleculares como ureia12, etanolamina13, ácido cítrico14, ácido fólico15. Os pontos C derivados piroliticamente são gerados na fase aquosa, no estado sólido ou in situ dentro de uma matriz polimérica . Dependendo da natureza dos materiais de partida e do método sintético seguido, o grau de grafitização dos pontos C pode variar consideravelmente, desde essencialmente amorfo até altamente grafítico .

Em virtude das características desejadas descritas acima, os pontos C são sistematicamente explorados em sensoriamento químico e biológico18, bioimagem19, nanomedicina20, revestimentos antimicrobianos21, nano-forense22, fertilizantes23, conversores de energia24 e eletrocatálise25. Basta dizer que os pontos C experimentam vários níveis de potenciais eletroquímicos, quando usados ​​em eletrocatálise, eletrodetecção, energia fotovoltaica, baterias e diodos emissores de luz. Além disso, a eletrogeração de pontos C ocorre através da esfoliação de eletrodos compostos por grafeno, grafite, fibras de carbono, nanotubos de carbono26, carvão27 (uma abordagem de cima para baixo) ou via eletrooxidação/eletropolimerização de pequenas moléculas precursoras como álcoois28, acetonitrila29 (uma estratégia de baixo para cima). Atualmente, estão sendo buscados métodos que permitam o controle rigoroso do tamanho dos pontos C e de sua emissão de PL, facilitando assim futuras aplicações30,31.

Neste trabalho, divulgamos um mecanismo desencadeado eletroquimicamente que modifica dramaticamente as características estruturais e propriedades ópticas dos pontos C. O processo depende de ataque eletroquímico e prossegue através de extensa oxidação superficial e quebra da ligação carbono-carbono. Com base nisso, o tamanho das nanopartículas diminui gradualmente, enquanto o rendimento quântico (QY) aumenta até 640%. Até onde sabemos, este é o primeiro estudo que contribui com evidências sólidas sobre a ação deste mecanismo de reescultura altamente eficaz em pontos C que oferece possibilidades de ajuste de tamanho e controle preciso de sua emissão de PL.

Os espectros PL de dispersões aquosas de pontos C (SI Fig. 1) exibem o padrão emissivo característico dependente de λex dentro da faixa de 380 a 500 nm, no sentido de que o comprimento de onda de emissão (λem) muda para o vermelho ao aumentar λex. Este tipo de modo emissivo foi atribuído a contribuições relacionadas a transições eletrônicas de bandgap de domínios π conjugados, estados de defeitos de superfície, efeitos de borda e emissão aprimorada de reticulação, enquanto a presença de cromóforos moleculares é tipicamente associada à ocorrência de contribuições distintas λex independentes , 33,34.