長(zhǎng)春光機(jī)所研制出高載負(fù)量、高熒光亮度的碳納米點(diǎn)@二氧化硅復(fù)合凝膠

　　近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員曲松楠課題組首次研制出高載負(fù)量、高熒光亮度的碳納米點(diǎn)@二氧化硅復(fù)合凝膠。該工作利用碳納米點(diǎn)表面大量的羥基官能團(tuán)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(xiàn)具有高載負(fù)量、高熒光亮度的碳納米點(diǎn)@二氧化硅復(fù)合凝膠，并可進(jìn)一步獲得熒光效率高達(dá)41%的干凝膠粉體材料，在開發(fā)基于碳納米點(diǎn)的發(fā)光器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。該成果發(fā)表在國(guó)際期刊《材料化學(xué)》（Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b05375）上，第一作者為助理研究員周鼎。該工作獲得了國(guó)家青年基金、中科院卓越青年科學(xué)家項(xiàng)目、中科院青促會(huì)、吉林省中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才及團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重大創(chuàng)新項(xiàng)目等支持。

　　發(fā)光碳基納米點(diǎn)是近幾年發(fā)展起來的新型碳基納米發(fā)光材料。大量研究表明其具有無毒、生物相容性好、制備簡(jiǎn)單、光穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是可能改變未來照明世界的八種發(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(yīng)用。然而，基于碳納米點(diǎn)的固態(tài)發(fā)光材料發(fā)展遇到瓶頸，主要問題是碳納米點(diǎn)在固態(tài)時(shí)存在嚴(yán)重的因聚集引起熒光淬滅。雖然已有報(bào)道證明在碳納米點(diǎn)低載負(fù)量的復(fù)合體系下，可以得到高的熒光量子效率，但是當(dāng)提高碳納米點(diǎn)載負(fù)量時(shí)，熒光量子效率卻會(huì)大幅降低，不能應(yīng)用于高亮度的照明器件。因此，如何在高載負(fù)量的碳納米點(diǎn)體系下實(shí)現(xiàn)高的熒光量子效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高亮度的發(fā)光，已成為碳納米點(diǎn)在發(fā)光器件中應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　課題組利用碳納米點(diǎn)表面具有的大量羥基官能團(tuán)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(fù)合材料。研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(fù)合納米粒子。由于碳納米點(diǎn)在復(fù)合納米粒子中載負(fù)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(qiáng)度很弱。當(dāng)增加碳納米點(diǎn)乙醇溶液濃度時(shí)，雖然復(fù)合材料中載負(fù)量增加，但是由于制備過程中碳納米點(diǎn)之間相互碰撞幾率增大，導(dǎo)致聚集，使得最終獲得的復(fù)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(nèi)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(fù)合二氧化硅，進(jìn)而形成凝膠。該碳納米點(diǎn)@二氧化硅復(fù)合干凝膠粉末熒光量子效率高達(dá)41%，同時(shí)碳納米點(diǎn)在材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.2 wt%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高載負(fù)量、高熒光量子效率復(fù)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(lán)光碳納米點(diǎn)，進(jìn)而得到高熒光亮度的藍(lán)光碳納米點(diǎn)@二氧化硅復(fù)合凝膠?；诟咻d負(fù)量以及強(qiáng)熒光性質(zhì)，該復(fù)合材料可以作為顏色轉(zhuǎn)換層應(yīng)用于發(fā)光二極管照明光源（LEDs）中，制備出白光LEDs，有望成為新一類高效固態(tài)發(fā)光照明材料。

　　碳納米點(diǎn)@二氧化硅復(fù)合材料的（a）熒光量子效率、（b）熒光強(qiáng)度、（c）熒光壽命隨碳納米點(diǎn)乙醇溶液濃度的變化曲線。

　　不同濃度的碳納米點(diǎn)與二氧化硅形成復(fù)合材料的制備過程示意圖。

　　碳納米點(diǎn)@二氧化硅復(fù)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。

　?。╝）基于碳納米點(diǎn)@二氧化硅高效復(fù)合材料制備出的體相材料在紫外光下照片；（b）顏色轉(zhuǎn)換層材料為碳納米點(diǎn)與二氧化硅高效復(fù)合材料的發(fā)光LEDs的（b）發(fā)光光譜和（c）照片。