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Aunque los puntos cuánticos de carbono derivados de la biomasa son nanomateriales sostenibles, tienen malas propiedades ópticas y bajo rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY). Un artículo publicado en la revista Informes científicos informaron sobre la síntesis de puntos cuánticos de carbono dopados con nitrógeno (N) a partir de precursores de biomasa (glucosa y amoníaco) con excelentes propiedades ópticas y un PLQY significativo.
Estudio: Investigación del efecto del dopaje N en la estructura de los puntos cuánticos de carbono, las propiedades ópticas y la detección de iones metálicos. Crédito de la foto: GiroScience/Shutterstock.com
Aquí, la concentración de amoníaco (precursor del dopante de nitrógeno) determinó las propiedades ópticas de los puntos cuánticos de carbono. Los puntos cuánticos de carbono dopados con nitrógeno optimizados mostraron propiedades de emisión de fluorescencia mejoradas con un PLQY del 9,6 % y un rango de pH estable entre 2 y 11.
Ilustración 1. Imágenes HRTEM de N-CQD a diferentes aumentos y escalas: (a) 20 nm, (C) 10nm, (b) Histograma de la distribución gaussiana del tamaño de partícula, (es decir) red de núcleo grafítico. Los N-CQD suelen tener un tamaño de partícula de 4,60 ± 0,87 nm. © Nguyen, KG et al. (2022).
Los puntos cuánticos de carbono dopados con nitrógeno optimizados sirvieron como nanosensores sensibles para cuantificar los iones de cromo (Cr)(VI). Además, el proceso de dopaje con nitrógeno ajustó la estructura electrónica de los puntos cuánticos de carbono dopados con nitrógeno, lo que resultó en un mejor rendimiento óptico y del nanosensor.
Puntos cuánticos de carbono derivados de biomasa
Los puntos cuánticos de carbono de alto rendimiento encuentran aplicaciones en la detección química, la bioimagen, la nanomedicina, las células solares, la optrónica y la catálisis. Aunque se han propuesto enfoques sintéticos como top-down y bottom-up para sintetizar puntos cuánticos de carbono, estos procesos tienen inconvenientes, que incluyen síntesis de varios pasos, alto costo y el uso de sustancias tóxicas.
Los puntos cuánticos de carbono son grupos tridimensionales (3D) con una estructura similar a una esfera formada por átomos de carbono y pequeñas cantidades de moléculas. Las partes internas de los clústeres 3D se componen principalmente de sp3 átomos de carbono hibridados y una pequeña parte de sp2 átomos de carbono hibridados.
La biomasa es una sustancia abundante, compleja, heterogénea, biodegradable y bioorgánica que se puede obtener de diversas fuentes, como los desechos orgánicos domésticos, el pasto perenne, la pesca, los residuos agrícolas, la avicultura, la ganadería y la silvicultura. Este residuo de biomasa tiene un alto contenido de carbono (45-55%) y se considera una fuente renovable para sintetizar nanomateriales mediante un proceso respetuoso con el medio ambiente, reduciendo los costes generales de producción.
Aunque los puntos cuánticos de carbono de la biomasa son deseables, los procesos sintéticos involucrados tienen limitaciones debido al control deficiente sobre el tamaño de las partículas, la homogeneidad y la calidad del producto. Estos puntos cuánticos de carbono derivados de la biomasa tienen un PLQY bajo y malas propiedades ópticas.
Dopar los puntos cuánticos de carbono con un heteroátomo como nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S) es un enfoque común para mejorar sus propiedades ópticas. Sin embargo, las propiedades ópticas mejoradas a través del dopaje con heteroátomos solo se han asumido teóricamente, mientras que su implementación práctica aún es cuestionable debido al alto consumo de energía y al mayor tiempo de síntesis.
Figura 2 Espectros XPS representativos de N-CQD que muestran las muestras dopadas con nitrógeno más bajas (N-0,25) y más altas (N-10). Los espectros muestran tres picos típicos C1s (285,0 eV), N1s (399,0 eV) y O1s (531,0 eV). La banda de N1s desplegada mostró tres picos que representaban piridina-N, NH y amida-CN. © Nguyen, KG et al. (2022).
Puntos cuánticos de carbono dopado con N con propiedades ópticas mejoradas
Aunque se han propuesto varios métodos sintéticos para sintetizar puntos cuánticos de carbono a partir de materiales de biomasa, las rutas sintéticas tenían un control deficiente sobre el tamaño, la homogeneidad y la calidad de las partículas. Por lo tanto, los puntos cuánticos de carbono de la biomasa mostraron malas propiedades ópticas y bajo PLQY.
En el presente trabajo, se aplicó una síntesis de flujo hidrotermal continuo (CHFS) a base de agua para preparar los puntos cuánticos de carbono dopados con N a partir de glucosa y amoníaco. Por lo tanto, el enfoque sintético actual se ha considerado como un enfoque verde prometedor para sintetizar puntos cuánticos de carbono.
Los procesos de funcionalización superficial y nucleación de nanopartículas a través de CHFS permitieron adaptar las nanopartículas para funciones específicas. Además, CHFS consumió menos tiempo y energía que los otros procesos hidrotermales tradicionales para producir un producto de calidad, lo que sugiere que esta estrategia de síntesis de puntos cuánticos de carbono es sólida y respetuosa con el medio ambiente.
Además, el proceso hidrotermal continuo ayudó a controlar el tamaño de las partículas a través de la nucleación y el dopaje con heteroátomos sin un tratamiento posterior adicional, lo que sugiere que un método actual es un enfoque de bajo costo para sintetizar puntos cuánticos de carbono dopados con heteroátomos. Los puntos cuánticos de carbono derivados de la biomasa se fabricaron a partir de glucosa y amoníaco abundantes y fácilmente disponibles como fuentes de carbono y nitrógeno, respectivamente, lo que redujo el costo total de producción.
Además, en el presente trabajo, se abordaron las preocupaciones no resueltas con respecto a la mejora de las propiedades ópticas mediante el dopaje con heteroátomos de los puntos cuánticos de carbono. Se examinaron las propiedades ópticas de los puntos cuánticos de carbono dopado con N fabricados y los resultados mostraron excelentes propiedades ópticas, PLQY de alrededor del 10 % y estabilidad del pH entre 2 y 11.
Además, la tecnología de nanodetección química del nanosensor basado en puntos cuánticos de carbono dopado con N ayudó a cuantificar el ion tóxico Cr(VI), que es un metal cancerígeno, hemotóxico y genotóxico con un límite de detección (LOD) de 0,95 partes por millones y un límite de cuantificación (LOQ) de 3,18 nanómetros.
Figura 3. (a) PLQY y tasa no radiativa (GlU = g-CQDs), (b) Vida útil de PL de g-CQD y N-CQD. El análisis reveló un aumento tanto en la vida útil de PL como en PLQY al dopar con nitrógeno, y los valores más altos de vida útil y PLQY se obtuvieron para[N]≥ 7,5 millones © Nguyen, KG et al. (2022).
Conclusión
En resumen, los puntos cuánticos de carbono dopados con N se sintetizaron eficientemente a partir de precursores de amoníaco y biomasa (glucosa) a través del proceso CHFS. Los puntos cuánticos de carbono dopados con N sintetizados mostraron excelentes propiedades ópticas, un PLQY de alrededor del 10 % y una estabilidad del pH entre 2 y 11.
Además, se probó el potencial de los puntos cuánticos de carbono dopados con N sintetizados como sensor químico para cuantificar los iones Cr(VI). Los resultados mostraron valores LOD y LOQ de 0,95 ppm y 3,18 nanómetros, respectivamente.
Además, los estudios de vida útil de la fluorescencia revelaron el mecanismo de extinción de los nanosensores basados en puntos cuánticos de carbono dopado con N, que era un efecto de filtro interno (IFE). Por lo tanto, el presente trabajo demostró un enfoque rápido, novedoso, de un solo paso y respetuoso con el medio ambiente para la síntesis de puntos cuánticos de carbono, que se utiliza para una amplia gama de aplicaciones.
Relación
Nguyen, KG y col. (2022). Investigación del efecto del dopaje N en la estructura de puntos cuánticos de carbono, las propiedades ópticas y el apantallamiento de iones metálicos. Informes científicos. https://www.nature.com/articles/s41598-022-16893-x
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