加拿大西安大略大学丁志峰课题组，采用“自上而下”电化学剥离（Electrochemical exfoliation）的方法，制备了一种氮掺杂石墨烯量子点（Graphene quantum dots, GQDs），研究了其光致发光（Photoluminescence, PL）和电致化学发光（Electrochemiluminescence, ECL）的机理和性能。该工作首次将石墨烯量子点作为一种发光材料应用于固态发光器件——发光电化学池（Light-emitting electrochemical cells，LECs），探究了其在电致发光（Electroluminescence, EL）方面的应用前景。

石墨烯量子点作为一种新型“0维”碳纳米材料，具有优良的物理、化学和生物性能，在光学器件、电子器件、传感和催化等诸多领域有着广阔的应用前景。其“壳-核结构”所导致的多样的发光性质，更是国际材料科学研究的热点。尽管材料学家们提出了各种合理的理论，石墨烯量子点的发光机理仍未明确。为了揭示石墨烯量子点的发光机理，并探究其发光性能的实际应用，丁志峰课题组采用“自上而下”的方法，在含氮支持电解质的共同作用下，对石墨棒进行电化学剥离，制备了一种氮掺杂石墨烯量子点。该方法是该课题组在前期碳纳米管电化学剥离工作的基础上（J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 744-745）发展起来的， 具有快速、高效、环保、廉价等优点，有望实现产业化。研究者们采用透射电镜（TEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）分别确定了石墨烯量子点的粒径及其层状结构，并通过光电子能谱（XPS）技术揭示了该材料的表面构成，证明了其表面含氮官能团的存在。

分散在溶液中的石墨烯量子点的PL光谱显示了450 nm的发射峰。而在共引发剂——过氧化苯甲酰的增强作用下，其ECL光谱峰位置在660 nm，与PL相比具有明显的红移。激发波长依赖性实验和即时ECL光谱实验等结果表明， 该石墨烯量子点的PL 源于其 “内核” 能级跃迁，而ECL则源于其 “外壳” 表面官能团所导致的表面态结构。由于电化学氧化还原反应发生在材料表面，电化学反应引起的发光可被这些表面缺陷所吸收，再以更低的能量辐射，因此，其ECL光谱峰波长大幅红移。与传统有机发光二极管（OLEDs）相比，发光电化学池（LECs）具有结构简单、制作成本低等优点。本工作首次将石墨烯量子点作为一种发光材料应用于发光电化学池，由于石墨烯量子点的在固态条件下的聚集效应，该固态发光器件的EL光谱峰位置落于610 nm。色度图显示，该石墨烯量子点所制备的发光电化学池发出均衡的白光，在照明等发光领域有着良好的应用前景。

论文信息：

Electrogenerated chemiluminescence and electroluminescence of N‐doped graphene quantum dots fabricated from an electrochemical exfoliation process in nitrogen‐containing electrolytes

Kenneth Chu, Jonathan R. Adsetts, Shuijian He, Ziying Zhan, Liuqing Yang, Jonathan M. Wong, David A. Love, Zhifeng Ding

本工作受到加拿大自然科学与工程研究委员会 （探索基金和策略基金）、 加拿大创新基金会、安大略省创新信托基金会以及西安大略大学的资助，也受到厦门大学固态物理化学国家重点实验室开放课题的资助。厦门大学廖洪刚教授课题组帮助完成了透射电镜实验。

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202003395

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