在对石墨烯的发现进行开创性研究后，各种石墨烯衍生物的合成开始得到进一步发展。
石墨烯衍生物可以按其大小进行分类，如零维（石墨烯量子点）、一维（石墨烯纳米带）和三维（石墨烯泡沫）。 本技术文章将重点介绍石墨烯量子点（一种零维材料）的合成。
石墨烯具有广泛的应用前景，但由于其零带隙特性、在水中的低色散性、低光谱吸收等特点，无法应用于光电子、生物成像、半导体等诸多领域。 因此，制备石墨烯量子点（GQDs）是调制石墨烯带隙并将其应用于纳米器件的有效方法。
当石墨烯薄片的横向尺寸减小到纳米级时，它们就变成了GQDS，即由不超过五层石墨烯薄片组成的零维（0D）材料。 大多数 GQD 的形状是圆形或椭圆形的，尽管也有三角形和六边形的点。
由于量子约束效应，GQDS中能带的开放与尺寸有关，这是GQDS与石墨烯产生清晰边界的显著差异之一，并且能带宽度随着量子点尺寸的减小而增加。 大多数 GQD 的带隙介于 2 之间2~3.1 EV 之间，带有绿色或蓝色荧光。
研究发现，与石墨烯相比，GQDS具有非常大的比表面积和极小的尺寸，边缘可以容纳更多的活性位点（如官能团、掺杂剂等），因此更容易分散在水中。 同时，它还具有毒性低、生物相容性好、化学稳定性好、光谱范围广的光致发光和荧光发射等显著特点。 由于这些独特的特性，GQDS被认为是一种先进的多功能材料，具有广泛的应用，包括癌症**、太阳能电池、生物传感器、LED和光探测器等。
GQD合成可分为自上而下和自下而上的制备技术两大类。
块状石墨化碳材料（如MWCNTS、石墨烯、石墨、氧化石墨烯、煤等）用作前驱体。 碳前驱体在反应过程中被剥离，并通过化学、热或物理过程裂解成所需的 GQDS。 自上而下的合成工艺采用氧化还原切割、脉冲激光烧蚀（PLA）和电化学切割等技术。
石墨烯量子点是通过还原氧化切割技术合成的，主要使用强还原剂或氧化剂作为剪刀来切割氧化石墨烯或石墨烯片。 尽管如此，该过程通常被描述为需要使用有毒化学品和大量的纯化步骤;然而，也有一些例外，可以使用对环境无害的氧化剂，如H2O2，无需任何纯化即可达到77%以上的收率。
结果表明，在电化学切割过程中，施加电势会导致带电离子进入前驱体的石墨层。 例如，研究人员报道了通过使用由两根石墨棒作为电极，柠檬酸和氢氧化钠在水中作为电解质组成的简单电化学剥离装置，合成了平均尺寸为2-3纳米的GQDS。 该方法还具有出色的功能化和掺杂GQDS的能力。
另一种有趣的自上而下的合成方法是PLA方法，它使用聚焦激光束从石墨薄片中合成GQDS。 该技术不需要强酸性化学品，为GQDS的研究提供了一条可行且环保的途径。 此方法可用于合成大小一致的 GQDS。
自下而上的方法，而不是自上而下的方法，使用较小的前体分子（例如柠檬酸、葡萄糖等）的融合来获得GQD。 与自上而下的策略相比，自下而上的方法具有缺陷更少、尺寸和形貌可调整的优点。 最广为人知的自下而上的合成路线是微波辅助、水浴加热、分步有机合成和软模板的制备。
一个典型的案例是柠檬酸和氨基酸被报道通过水热法合成GQD。 在这种技术中，通过将前体加载到高压釜中并使柠檬酸在特定时间和规定的温度下进行水热反应来完成制备。 该技术简化了将杂原子掺杂（如硫和氮）引入GQD结构的过程。 例如，据报道，柠檬酸和乙二胺氮掺杂GQDS（N-GQDS）的使用尺寸为5-10 nm。
水热过程通常需要几个小时，这使得它不适合在工业规模上合成GQD。 微波辅助加热是一种行之有效的补救措施。 通过采用微波加热，GQDS生长所需的时间可以减少到几分钟甚至几秒钟。
由于尺寸可控的单晶GQDS合成过程精度有限，因此尚未直接观察到单晶GQDS的形成过程。 此外，GQDS在工业和学术研究中的主要局限性是产量低，制备成本极高。
目前，现有的自上而下或自下而上的GQD合成方法大多收率低于30%，这也需要昂贵且耗时的纯化操作，这大大增加了GQDS的最终成本。 因此，未来的研究方向应侧重于提高收率和简化纯化工艺，使GQDS的工业应用更加经济。
引用
1. ghaffarkhah, ahmadreza., et al. (2022). synthesis, applications, and prospects of graphene quantum dots: a comprehensive review. small.
2. y. yan., et al. (2019) recent advances on graphene quantum dots: from chemistry and physics to applications. advanced materials.
3. tian, p., et al. (2018). graphene quantum dots from chemistry to applications. materials today chemistry.
4. yan, yibo., et al. (2018). systematic bandgap engineering of graphene quantum dots and applications for photocatalytic water splitting and co2 reduction. acs nano.