基于静电纺丝技术制备荧光量子点材料

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作为纳米科技的基础,纳米材料已经在医药工程、生物、电子、光学器件、传感器等诸多领域发挥出了重要作用。量子点纳米晶作为一种重要的荧光纳米材料,与传统的染料相比,具有稳定的荧光性能和连续的发射光谱,而且因其独特的量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、介电限域等效应,量子点纳米晶展现出了独特的电、磁、光、催化等性能,因此引起了科研工作者广泛的研究兴趣。然而,如何实现量子点纳米晶低成本和可持续性制备,仍然是一个亟待解决的问题。另一方面,量子点纳米晶具有难以精确控制成型加工的缺点,不易在实际应用使用,限制了其应用和发展。而荧光纳米材料和聚合物的组装结合可以克服这一问题,并赋予材料新的功能和特性。因此,如何提高量子点纳米晶与聚合物的相容性,实现对荧光纳米材料与聚合物的快速加工,实现荧光纳米材料结构功能的一体化,促进量子点纳米晶材料的制备以及在光、电、传感器中的应用,是荧光纳米材料发展急需解决的问题。  近年来,通过微纳米加工手段实现量子点纳米晶的功能化构筑取得了很大的进展,但传统的制备方法仍存在反应条件苛刻,毒性大、成本高等缺点,限制了量子点纳米晶的制备和应用。因此设计新型绿色环保、成本低廉的技术来制备量子点纳米晶功能化材料,仍是一个不小的挑战。基于此,本文主要通过新型的绿色合成路径降低制备成本,以应用为导向制备高质量的量子点纳米晶开展了以下工作:  (1)以绿化量子点合成工艺为导向,基于静电纺丝技术通过固-液界面合成法,制备了无配体的CdSe半导体纳米晶。首先通过考察供给电压、接收高度、推进速度等不同纺丝条件对纤维形貌的影响,确定海藻酸钠的最佳纺丝条件。以负载金属离子的纺丝膜为固相,Se-TOP为液相,在140℃下通过固-液界面合成制备无配体CdSe纳米晶。探索了CdSe纳米晶在不同反应物配比情况下的反应动力学。以制备的无配体CdSe纳米晶为“荧光纳米墨水”,结合喷墨打印技术有效实现了纳米晶的荧光图案化,打印出的图案显示出“可见光不可见-紫外可见”的性能,可在防伪领域有广阔的应用。该绿色方法简便快速并易于控制,为制备半导体纳米晶提供了一条实用化新方法。  (2)以设计功能性纳米微反应器为出发点,通过静电纺丝技术制备海藻酸钠纳米纤维。借助海藻酸钠对金属离子的螯合作用,通过负载镉离子于纤维表面,实现限域空间的微反应器单元的构筑,通过引入硫源成功制备了CdS纳米晶。通过紫外、荧光、时间分辨荧光光谱的表征表明,得到的CdS纳米晶荧光性能良好,结合TEM分析制备的CdS结晶性较好。利用该微反应器反应原理,通过丝网印刷实现了纳米晶的功能性图案画,该应用可潜在用于S2-纳米传感器的设计。  (3)以实现量子点与高分子聚合物的功能集成为目的,利用乳液静电纺丝静电纺丝结合气相沉积技术,制备了具有荧光-超疏水-光转换三功能的碳量子点/二氧化钛超细杂化纤维膜材料。考察了纺丝工艺如纺丝液浓度、电源电压、接收距离和推进速率等对杂化纤维膜微观结构和宏观性能的影响。通过不同温度的高温处理制备了不同荧光的聚合物基量子点杂化膜,水接触角测试表明高温处理后纤维膜仍可保持超疏水性能,创新的将该纳米杂化纤维膜其用于敏化太阳能电池领域,实现了碳量子点的光电转换。
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