Nanoscale Investigation on the Structure and Stability of Nitrogen Enriched Carbon Nanodots Dispersions

Abstract

Dots de Carbono fazem parte da classe de nanomateriais zero-dimensionais que são importantes para várias aplicações na indústria de nano sensores, componentes fotoeletrônicos, na medicina e armazenamento de energia. Esses materiais ganharam espaço devido a sua síntese fácil e barata, suas propriedades óticas e excelente fotoluminescência. Neste contexto, o enriquecimento com nitrogênio nesses Dots pode melhorar ainda mais essas propriedades, e já foi mostrado que ele é capaz de mudar a estrutura interna e a superfície desses materiais, caracterizando os bem conhecidos Dots de Carbono Enriquecidos por Nitrogênio (N-CDs). Nesse trabalho, a estrutura dos N-CDs enquanto dispersos em meio aquoso foi investigada usando Espalhamento de Raios-X a Baixo Ângulo (SAXS) realizados em sincrotron e Espalhamento de Luz Dinâmico (DLS), discutindo o importante fenômeno de agregação que ocorre nesse sistema. Os resultados mostram que a quantidade de nitrogênio dentro dos N-CDs induz a formação de dois tipos de morfologia: fractais de massa para altas concentrações de nitrogênio e fractais de superfície para baixas concentrações de nitrogênio nos N-CDs. Além disso, um sistema complexo e hierárquico de agregados foi identificado nas dispersões de N CDs, que são todos estáveis nas três condições de pH aqui consideradas: 2, 7 e 12. Os resultados foram interpretados usando a estrutura inicial do pó de N-CDs que foi investigado usando Difração de Raio-X (XRD), Microscopia de transmissão eletrônica de alta resolução (HRTEM) e SAXS, além dos mecanismos de carga da superfície que esses N-CDs tem. Os resultados são importantes para o melhoramento das Aplicações dos N-CDs, pois a relação entre as propriedades estruturais e óticas/eletrônicas ainda não são claras para esse sistema.