量子點(diǎn)(QD)是三維尺寸在2~10納米(10~50個(gè)原子)范圍內(nèi)具有尺寸可調(diào)特性的半導(dǎo)體納米晶體。由于其納米級(jí)尺度,它們表現(xiàn)出量子限制效應(yīng),從而產(chǎn)生顯著的光學(xué)和電學(xué)特性。量子點(diǎn)的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進(jìn)行調(diào)整。
鎘(Cd)基、銦(In)基、硫化鉛(PbS)、鈣鈦礦以及新興的硫銦銅(CuInS2)、砷化銦(InAs)、硒碲鋅(ZnTeSe)等量子點(diǎn)材料具有不同的帶隙,因而具有不同的吸收和發(fā)射光譜。由于量子點(diǎn)尺寸可調(diào)發(fā)光、能夠用單一光源激發(fā)多種熒光顏色、高亮度和長(zhǎng)期光穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,使其在生物傳感、藥物輸送、生物成像、LED和光催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
利用微通道反應(yīng)器合成備受關(guān)注的納米量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)有哪些?
如何突破量子點(diǎn)材料介質(zhì)中鎘或鉛的重金屬毒性,以及有機(jī)相量子點(diǎn)體系無法直接用于水相體系法的限制,進(jìn)一步擴(kuò)展在生物醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用?
近年來,連續(xù)流技術(shù)越來越受到重視,在新材料領(lǐng)域取得了不少新的研究成果。采用連續(xù)流水相合成高發(fā)光AgInS2及AgInS2/ZnS量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì):
更安全、環(huán)保,無重金屬毒性,可拓展應(yīng)用范圍;
突破釜式量子點(diǎn)水相合成工藝的一致性和重現(xiàn)性的挑戰(zhàn);
連續(xù)流技術(shù)精確控制反應(yīng)條件,具有生產(chǎn)更嚴(yán)格尺寸控制和更高重現(xiàn)性的量子點(diǎn)的潛力。
反應(yīng)原液制備
通過L-谷胱甘肽、InCl3和AgNO3準(zhǔn)備了GSH/In/Ag混合原液,以Na2S或(NH4)2S為原料準(zhǔn)備了硫前驅(qū)體原液,再由L-谷胱甘肽、Zn(OAc)2·2H2O和硫脲準(zhǔn)備了ZnS殼增長(zhǎng)原液。
連續(xù)流合成AIS和AIS/ZnS量子點(diǎn):
圖1:用于合成AIS核和AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)的方案
(P:泵;T:T型混合器,TR:管狀反應(yīng)器,BPC:背壓控制器,SC:樣品收集器)
在AIS核量子點(diǎn)合成中,以等體積的GSH/In/Ag原液和硫前驅(qū)體溶液為反應(yīng)原料,通過進(jìn)料泵輸送至反應(yīng)器中,測(cè)試不同的反應(yīng)條件:溫度(80、100、120和150℃)、壓力(3、5和8bar)、停留時(shí)間(8、10、15和30min),并以(NH4)2S作為硫前驅(qū)體進(jìn)行了相同測(cè)試。
在AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)合成中,將AIS核量子點(diǎn)和殼前驅(qū)體原液分別通過進(jìn)料泵輸送至反應(yīng)器中,測(cè)試了如下反應(yīng)條件:溫度(100和120℃)、壓力(3和5bar)、停留時(shí)間(8、10和15 min)。
圖2:在不同溫度(a)、反應(yīng)時(shí)間(b)、壓力(c)和不同硫前體(d)下獲得的AIS核量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜
上圖分別表征了不同反應(yīng)溫度(停留時(shí)間8min、壓力3bar)、停留時(shí)間(溫度100℃、壓力3bar)、壓力(停留時(shí)間8min、溫度100℃)和硫前驅(qū)體種類(停留時(shí)間8min、溫度100℃)對(duì)合成的AIS納米晶核熒光性質(zhì)的影響。
圖3:添加殼前體的量(a)、ZnS殼增長(zhǎng)原液pH值(b)及AIS納米晶核種類(c)對(duì)AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)熒光特性的影響
上圖分別表征了不同的殼增長(zhǎng)前驅(qū)體用量、ZnS殼增長(zhǎng)原液pH值和AIS納米晶核種類對(duì)合成的AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)熒光性質(zhì)的影響。
表1:改變不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù),AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)合成的匯總
上表為AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)不同的合成條件,其中以Zn(Ac)2為前驅(qū)體,在反應(yīng)溫度100℃、AIS核量子點(diǎn)和殼前驅(qū)體原液比例1:1、停留時(shí)間15min的反應(yīng)條件下,所得產(chǎn)物能達(dá)到最高83%的熒光量子產(chǎn)率。
圖4:AIS核和AIS/ZnS核/殼納米晶體的透射電鏡圖
通過透射電鏡對(duì)所合成的量子點(diǎn)產(chǎn)物進(jìn)行表征,AIS核量子點(diǎn)的平均粒徑為1.67±0.6nm,AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)的平均粒徑為2.35±0.8nm。
作者通過流動(dòng)化學(xué)水相合成法制備了AIS和AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn),該方法可確保高發(fā)光樣品合成的高重現(xiàn)性;
對(duì)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了高效優(yōu)化,所合成的AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率最高可達(dá)83%;
AIS核量子點(diǎn)相對(duì)較高的熒光量子產(chǎn)率(平均32%)可歸因于供體-受體對(duì)的重組過程中缺陷態(tài)的高密度;
該連續(xù)流合成工藝非常穩(wěn)健,易于放大,可用于生產(chǎn)高發(fā)光、不含有毒重金屬的AIS/ZnS核/殼量子點(diǎn)并可應(yīng)用于照明、顯示和(生物)檢測(cè)等各種場(chǎng)景。
參考文獻(xiàn):J. Phys. Chem. C 2022, 126, 48, 20524–20534
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