近日，中科院曲松楠課題組首次研制出高載負量、高熒光亮度的碳納米點(diǎn)@二氧化硅復合凝膠。該工作利用碳納米點(diǎn)表面大量的羥基官能團引發(fā)正硅酸乙酯水解，在碳納米點(diǎn)表面原位包覆二氧化硅。在高濃度的碳納米點(diǎn)乙醇溶液中，實(shí)現具有高載負量、高熒光亮度的碳納米點(diǎn)@二氧化硅復合凝膠，并可進(jìn)一步獲得熒光效率高達41%的干凝膠粉體材料，在開(kāi)發(fā)基于碳納米點(diǎn)的發(fā)光器件領(lǐng)域具有重要的應用前景。
碳納米點(diǎn)@二氧化硅復合材料的（a）熒光量子效率、（b）熒光強度、（c）熒光壽命隨碳納米點(diǎn)乙醇溶液濃度的變化曲線(xiàn)
發(fā)光碳基納米點(diǎn)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型碳基納米發(fā)光材料。大量研究表明其具有無(wú)毒、生物相容性好、制備簡(jiǎn)單、光穩定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而引起國際上的廣泛關(guān)注，被認為是可能改變未來(lái)照明世界的八種發(fā)光新材料技術(shù)之一，其在生物成像、傳感、催化、激光、光電器件及照明等領(lǐng)域具有潛在的應用。
基于碳納米點(diǎn)的固態(tài)發(fā)光材料發(fā)展遇到瓶頸，主要問(wèn)題是碳納米點(diǎn)在固態(tài)時(shí)存在嚴重的因聚集引起熒光淬滅。雖然已有報道證明在碳納米點(diǎn)低載負量的復合體系下，可以得到高的熒光量子效率，但是當提高碳納米點(diǎn)載負量時(shí)，熒光量子效率卻會(huì )大幅降低，不能應用于高亮度的照明器件。因此，如何在高載負量的碳納米點(diǎn)體系下實(shí)現高的熒光量子效率，進(jìn)而實(shí)現高亮度的發(fā)光，已成為碳納米點(diǎn)在發(fā)光器件中應用的關(guān)鍵。
該課題組利用碳納米點(diǎn)表面具有的大量羥基官能團引發(fā)正硅酸乙酯水解，可原位包覆二氧化硅的方案，制備出碳納米點(diǎn)與二氧化硅的復合材料。研究中發(fā)現，當碳納米點(diǎn)乙醇溶液濃度較低時(shí)，得到的是碳納米點(diǎn)@二氧化硅復合納米粒子。
不同濃度的碳納米點(diǎn)與二氧化硅形成復合材料的制備過(guò)程示意圖
由于碳納米點(diǎn)在復合納米粒子中載負量較低，呈單分散狀態(tài)，因而其熒光量子效率較高，但是熒光強度很弱。當增加碳納米點(diǎn)乙醇溶液濃度時(shí)，雖然復合材料中載負量增加，但是由于制備過(guò)程中碳納米點(diǎn)之間相互碰撞幾率增大，導致聚集，使得最終獲得的復合納米粒子的熒光效率下降。但在高濃度的碳納米點(diǎn)乙醇溶液中，由于碳納米點(diǎn)在短時(shí)間內引發(fā)正硅酸乙酯水解，因而使得碳納米點(diǎn)在尚未聚集時(shí)，即在碳納米點(diǎn)表面原位復合二氧化硅，進(jìn)而形成凝膠。
碳納米點(diǎn)@二氧化硅復合凝膠的（a1和a3）室光及（a2和a4）紫外光下照片。（b）凍干后所得干凝膠的熒光發(fā)射光譜及（c）紫外光下照片。干凝膠的（d）掃描與（e）透射電鏡照片
該碳納米點(diǎn)@二氧化硅復合干凝膠粉末熒光量子效率高達41%，同時(shí)碳納米點(diǎn)在材料中的質(zhì)量分數為19.2wt%，進(jìn)而實(shí)現高載負量、高熒光量子效率復合材料的合成。同時(shí)，這種制備方法也適用于表面同樣具有豐富羥基的藍光碳納米點(diǎn)，進(jìn)而得到高熒光亮度的藍光碳納米點(diǎn)@二氧化硅復合凝膠?；诟咻d負量以及強熒光性質(zhì)，該復合材料可以作為顏色轉換層應用于發(fā)光二極管照明光源（LEDs）中，制備出白光LEDs，有望成為新一類(lèi)高效固態(tài)發(fā)光照明材料。
（a）基于碳納米點(diǎn)@二氧化硅高效復合材料制備出的體相材料在紫外光下照片；（b）顏色轉換層材料為碳納米點(diǎn)與二氧化硅高效復合材料的發(fā)光LEDs的（b）發(fā)光光譜和（c）照片
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