摘要
本研究采用热注入法合成策略,以5-溴戊酸(BVA)取代油酸(OA)作为表面配体,在油胺(OLA)的协同作用下,合成得到尺寸均一、形貌可控、高荧光量子产率(PLQY=58.1%)的无机CsPbBr3钙钛矿量子点(BVA-CsPbBr3 PQDs)。在此基础上,结合纤维素纳米纤维(CNF)优异的机械性能及多孔结构,制备得到PQDs@CNF复合增强膜,BVA-CsPbBr3 PQDs均匀分散并被牢固锚定在CNF纤维网络中,有效避免了量子点的团聚,同时增强了PQDs@CNF复合增强膜的机械强度。结果表明,PQDs@CNF复合增强膜具有优异的发光特性和力学性能,不仅保留了BVA-CsPbBr3 PQDs原有的高光致发光强度,还因结合了CNF,具备良好的环境适应性和稳定性。
金属卤化物钙钛矿量子点(PQDs)是一种新型光电纳米材料,通常具有ABX3晶体结构。其中,A为一价阳离子,如甲胺离子(M
纤维素是自然界中最丰富的生物质高分子聚合
为探究CNF用于封装PQDs的可行性,本研究以5-溴戊酸取代传统的油酸,在油胺的协同作用下,采用热注入法合成具有高荧光量子产率的PQDs,并通过优化PQDs表面配体以提高材料性能。在此基础上,将CsPbBr3 PQDs掺杂到CNF中,利用CNF的羟基对PQDs进行表面修饰,制备PQDs@CNF复合增强膜。通过化学结构、微观形貌、力学强度等性能的表征分析,探究PQDs@CNF复合增强膜的发光特性和机械性能,以期为高性能光电子器件的开发提供参考。
溴化铅(PbBr2,分析纯)、5-溴戊酸(BVA,分析纯)、油胺(OLA,纯度80%~90%),上海阿拉丁生化科技有限公司;溴化铯(CsBr,分析纯)、溴化铅(PbBr2,分析纯),西安宝莱特光科技有限公司;油酸(OA,分析纯),N,N-二甲基乙酰胺(DMA,分析纯),天津市大茂化学试剂厂;纤维素纳米纤维(CNF),天津市木精灵生物科技有限公司;尼龙滤膜(孔隙直径0.05 µm),海宁市海昌益博过滤器材有限公司。
集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S),巩义市予华仪器有限责任公司;台式离心机(DT5-1型),北京时代北制离心机有限公司;循环水式多用真空泵(SHB-Ⅲ),郑州长城科工贸有限公司;纸页成型器(TD10-200),咸阳通达轻工设备有限公司;无油空气压缩机(3ZWB-700-70L),浙江罗迪机电科技有限公司;数控超声波清洗器(KQ-800DE),昆山市超声仪器有限公司;傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,Vertex 70),布鲁克北京科技有限公司;X射线衍射仪(XRD,D8 Advance A25),布鲁克北京科技有限公司;荧光光谱仪(FS5),爱丁堡仪器有限公司;场发射扫描电子显微镜(FESEM,SU-8100),泰思肯上海有限公司;能谱仪(EDS,Octane Prime),美国伊达克斯有限公司;激光扫描共聚焦荧光显微镜(LSCM,LSM800),卡尔蔡司;伺服控制高低温拉力试验机(AI-7000-NGD),天津高特威尔检测仪器有限公司
CsPbBr3 PQDs的全合成过程均在空气中完成,未使用任何惰性气体。将0.2 mmol PbBr2和0.2 mmol CsBr加入装有5 mL DMA的三颈烧瓶中,加热至70 ℃后磁力搅拌50 min;将1 mmol BVA表面配体和1 mmol OLA快速连续加入上述混合液中,在70 ℃条件下继续加热并搅拌15 min,使配体充分反应,得到前驱体溶液;将1 mL前驱体溶液快速注入10 mL去离子水中,混合均匀后在4000 r/min下离心10 min,固液分离后的上清液再以5000 r/min离心15 min,二次离心所得上清液即为BVA-CsPbBr3 PQDs分散液,储存备用。
采用相同方法,将1 mmol BVA表面配体替换为1 mmol OA,合成OA-CsPbBr3 PQDs;不添加表面配体,合成纯相CsPbBr3 PQDs。
通过改变反应温度,探究反应温度对BVA-CsPbBr3 PQDs合成的影响,反应温度设置为30、50、70、90和110 ℃。
通过FT-IR测定PQDs@CNF复合增强膜与CNF薄膜的化学结构,探究CsPbBr3 PQDs与CNF的作用机理,扫描范围4000~400 c
采用XRD测定PQDs@CNF复合增强膜与CNF薄膜的结晶结构及物相特征,扫描范围2θ=5°~60°。
采用荧光光谱仪测定CsPbBr3 PQDs的荧光量子产率(PLQY,以去离子水为参比)、光致发光(PL)光谱、时间分辨荧光衰减(TRPL)曲线,以及PQDs@CNF复合增强膜的荧光强度和PL光谱,扫描范围370~600 nm,激发波长390 nm。
采用LSCM对PQDs@CNF复合增强膜进行荧光表征,探究其表面的荧光量子点分布情况。测试时,复合增强膜样品须平整粘贴在玻璃片上进行扫描观察,激发波长400~500 nm。
不同表面配体合成的CsPbBr3 PQDs性能表征见

图1 (a) BVA-CsPbBr3 PQDs和OA-CsPbBr3 PQDs的PL光谱;(b) BVA-CsPbBr3 PQDs和(c) OA-CsPbBr3 PQDs的PLQY;(d) BVA-CsPbBr3 PQDs和OA-CsPbBr3 PQDs的PL寿命衰减曲线;(e) BVA-CsPbBr3 PQDs和纯相CsPbBr3 PQDs的XRD谱图
Fig.1 (a) PL spectra of BVA-CsPbBr3 PQDs and OA-CsPbBr3 PQDs; fluorescence quantum yields of (b) BVA-CsPbBr3 PQDs and (c) OA-CsPbBr3 PQDs; (d) PL lifetime decay curves of BVA-CsPbBr3 PQDs and OA-CsPbBr3 PQDs; (e) XRD patterns of BVA-CsPbBr3 PQDs and pure-phase CsPbBr3 PQDs
上述结果可通过时间分辨荧光衰减(TRPL)曲线进一步证实。TRPL曲线拟合可由
(1) |
(2) |
式中,t为衰减时间;、分别为快衰减和慢衰减寿命,τav为载流子平均寿命(ns);A1、A2为相应的衰减振幅。
量子点 | τ1/ns | A1 | τ2/ns | A2 | τav/ns |
---|---|---|---|---|---|
BVA-CsPbBr3 PQDs | 29.36 | 0.09 | 252.02 | 0.07 | 223.68 |
OA-CsPbBr3 PQDs | 24.40 | 0.09 | 182.87 | 0.08 | 162.87 |
如

图2 不同反应温度下合成所得BVA-CsPbBr3 PQDs的照射照片
Fig. 2 Photographs of BVA-CsPbBr3 PQDs synthesized at different reaction temperatures

图3 不同反应温度下合成所得BVA-CsPbBr3 PQDs的PL光谱
Fig. 3 PL spectra of BVA-CsPbBr3 PQDs synthesized at different reaction temperatures
在自然光和紫外灯(365 nm)照射下观察不同PQDs@CNF复合增强膜,探究BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量对PQDs@CNF复合增强膜荧光特性的影响,结果见

图4 不同BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量PQDs@CNF复合增强膜的照射照片
Fig. 4 Photographs of PQDs@CNF composite reinforced films with different BVA-CsPbBr3 PQDs doping amounts

图5 不同BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量PQDs@CNF复合增强膜的PL光谱
Fig. 5 PL spectra of PQDs@CNF composite reinforced films with different BVA-CsPbBr3 PQDs doping amounts

图6 PQDs@CNF复合增强膜和CNF薄膜的FT-IR谱图
Fig. 6 FT-IR spectra of PQDs@CNF composite reinforced film and CNF film
通过XRD对PQDs@CNF复合增强膜、CNF薄膜的晶体结构进行探究,结果如

图7 PQDs@CNF复合增强膜和CNF薄膜的XRD谱图
Fig. 7 XRD patterns of PQDs@CNF composite reinforced film and CNF film

图8 PQDs@CNF复合增强膜的SEM及元素分布图
Fig. 8 Images of SEM and elemental distribution mapping of PQDs@CNF composite reinforced film

图9 PQDs@CNF复合增强膜的LSCM图
Fig. 9 Laser scanning confocal microscope images of PQDs@CNF composite reinforced film

图10 PQDs@CNF复合增强膜在不同放大倍率下的SEM图
Fig. 10 SEM images of PQDs@CNF composite reinforced film at different magnification
为探究PQDs@CNF复合增强膜的稳定性,将其置于温度25 ℃、相对湿度35%~40%的条件下,观察荧光强度随时间衰减的变化,并以相对荧光强度表示其相对于初始荧光强度的百分比,结果见

图11 PQDs@CNF复合增强膜的相对荧光强度随时间衰减图
Fig. 11 Relative fluorescence intensity attenuation image over time of PQDs@CNF composite reinforced film
不同BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量PQDs@CNF复合增强膜的力学性能见

图12 不同BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量PQDs@CNF复合增强膜的力学性能
Fig. 12 Mechanical properties of PQDs@CNF composite reinforced films with different BVA-CsPbBr3 PQDs doping amounts
本研究采用热注入法,以5-溴戊酸(BVA)代替传统油酸(OA)作为表面配体,成功合成具有高发光效应和尺寸均一的无机CsPbBr3钙钛矿量子点(BVA-CsPbBr3 PQDs),并进一步探究了合成过程中反应温度对量子点荧光特性的影响。在此基础上,将所合成的BVA-CsPbBr3 PQDs与纤维素纳米纤维(CNF)复合,制备PQDs@CNF复合增强膜,并对其进行系统的形貌表征与结构分析,探究了BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量对复合增强膜荧光特性和力学性能的影响。
3.1 以BVA为表面配体合成BVA-CsPbBr3 PQDs,其量子荧光产率(PLQY)可达58.1%,载流子平均寿命(τav)为223.68 ns,光学性能优于使用传统OA制备的OA-CsPbBr3 PQDs(PLQY=40%,τav=162.87 ns)。
3.2 PQDs@CNF复合增强膜的荧光强度与BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量密切相关;当BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量为30%时,PQDs@CNF复合增强膜的荧光强度最佳,但当BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量过高时,量子点容易发生团聚,导致PQDs@CNF复合增强膜荧光强度下降。
3.3 BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量会影响PQDs@CNF复合增强膜的力学性能;当BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量为25%时,PQDs@CNF复合增强膜的机械性能最佳,拉伸断裂应力可达14.8 MPa,高于未掺杂的CNF薄膜(11.5 MPa);杨氏模量达3.05 GPa,是BVA-CsPbBr3 PQDs掺杂量为15%时的1.93倍。
3.4 通过将合适掺杂量的BVA-CsPbBr3 PQDs均匀分散并牢固锚定在CNF纤维网络中,可有效避免量子点团聚。采用CNF进行封装的PQDs@CNF复合增强膜具有优异的发光性能,在温度25 ℃、相对湿度30%~40%条件下能够保持良好的稳定性,放置200 h后仍能保持初始荧光强度的70%。
参 考 文 献
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