一种高稳定钙钛矿量子点及其制备方法与流程

1.本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种高稳定钙钛矿量子点的制备方法。


背景技术：

2.全无机卤化铅钙钛矿量子点材料(cspbx3,x＝cl,br,i)具有优异的发光性质，表现出了超高的荧光量子产率(plqy)，较窄的半峰宽(fwhm)，合适的直接带隙，并且可以通过卤素种类、比例精确调控发光波长，完全覆盖可见光范围(390nm-700nm)，可作为下一代新型发光材料，近些年越来越广泛的应用于光电子器件，如太阳能电池、激光器、探测器、显示等。此外，相较于传统镉基量子点等，钙钛矿结构的量子点表现出更高的缺陷容忍度。全无机钙钛矿量子点是典型的立方相晶体结构，较强的离子特性导致高度动态的离子迁移扩散现象，卤素离子、铯离子空位是导致量子点缺陷能级的最主要因素之一，而量子点表面裸露的铅与未配对卤素形成的悬键，不仅与缺陷能级(非辐射复合)有关更是导致了量子点的高活性特点，在水、氧、光照等因素诱导下极容易发生配体脱落导致的相转化、重结晶、晶体溶解、团聚并最终淬灭。
3.表面修饰和基质封装提高稳定性的重要方法。油酸、油胺属于长链配体，长链配体能够增加量子点表面的空间位阻，降低离子交换、扩散、迁移速率，同时也能延缓配体自身的脱落/迁移进程，相较于短链配体下，量子点的生长尺寸通常偏大，稳定性也更差。此外，选用结合能的配体、增加配体携带结合基团比例等方法也是对量子点表面修饰的可行方案。现有的基质封装方案主要集中于高分子聚合物封装、无机微孔模板等材料，如pmma、多孔氧化铝等。
4.现有的钙钛矿量子点表面修饰和封装往往是分离的工艺，不兼容的工艺导致额外的量子产率损失，例如聚合物极性溶剂会造成量子点配体的损失，而多孔介质无法真正隔离空气中氧气和水分的腐蚀，因此亟需提出一种高稳定钙钛矿量子点的制备方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服量子点的光、热稳定性差，对水、氧条件敏感的问题，提供一种高稳定钙钛矿量子点及其制备方法。
6.为解决上述问题，本发明的技术方案之一为：
7.一种高稳定钙钛矿量子点，具有cspbx3 sf@sio2结构，其中，x为cl、br、i中的一种或几种，所述的sf为磺酸根，量子点的粒径范围为5-15nm。磺酸根离子钝化量子点表面缺陷，二氧化硅层对量子点进行原位包裹。
8.优选地，量子点的粒径范围为7-12nm。
9.本发明还提供所述的高稳定钙钛矿量子点在白光照明、色转换、全彩显示、光电探测器、生物荧光标记中的应用。
10.在本发明中，具有cspbx3 sf@sio2结构的量子点含有磺酸根钝化，且包裹在sio2中的纳米颗粒，其中磺酸根表面修饰钝化量子点的缺陷，磺酸根的修饰不影响量子点的形貌
和晶型，量子点表面的缺陷得到钝化。二氧化硅封装量子点隔绝水、氧侵蚀，量子点整体具有极高的水、氧、紫外稳定性。
11.本发明的技术方案之二为：
12.一种高稳定钙钛矿量子点的制备方法，包括以下步骤：
13.s1.制备钙钛矿量子点前驱体溶液；前驱体溶液为油酸、十八烯、卤化铅的混合物；
14.s2.往步骤s1的溶液中加入硅烷偶联剂，硅烷偶联剂的加入量范围为体积比油酸：硅烷偶联剂＝1：0.8-1.5；
15.s3、将油酸铯溶液注入s2含有硅烷偶联剂的前驱体溶液，油酸铯的加入量范围为油酸：油酸铯＝1:0.8-1.2，100-150℃下充分搅拌至卤化铅充分溶解；
16.s4、s3溶解液冷却后，加入过量磺酸类有机盐充分共混后水解；所述的磺酸类有机盐化学结构式为r1r2so3，r1是钾离子、钠离子、锂离子、铯离子中的一种或几种，r2是碳链长度为1-12的烷烃、烯烃、苯环、卤代烷烃、卤代烯烃、卤代苯环中的一种或几种；所得的水解产物即为高稳定钙钛矿量子点。
17.所述量子点包括全无机钙钛矿类量子点cspbx3,x是cl、br、i中的一种或几种。
18.油酸：硅烷偶联剂体积比＝1：0.8-1.5，如果硅烷偶联剂小于0.8，量子点不易完全包裹；如果大于1.5，会影响光学吸收和发射。
19.在较佳的实施例中，步骤s3中注入温度在140℃-180℃之间，注入在保护气氛下(例如：氮气、氩气、氦气中的一种)进行。
20.在较佳的实施例中，步骤s1和s2中，前驱体溶液为油酸、十八烯、卤化铅的混合物，油酸、十八烯和卤化铅的比例范围为油酸：十八烯体积比＝1:8-15，每100ml十八烯中卤化铅1.5-2.0mmol。
21.在较佳的实施例中，步骤s3中油酸铯溶液的溶质为十八烯，油酸铯与卤化铅摩尔比为1-1.1:1。
22.在较佳的实施例中，步骤s2中硅烷偶联剂为含有-si-o-r结构的一类硅烷偶联剂，r及为烷烃、烷胺基中的一种或几种。具体种类例如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、n-β(氨乙基)-y-氨丙基三乙氧基硅烷、n-β(氨乙基)-y-氨丙基三甲氧基硅烷、苯氨基甲基三乙氧基硅烷、苯氨基甲基三甲氧基硅烷、氨乙基氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷等中的至少一种。
23.在较佳的实施例中，步骤s4中的水解在空气条件下进行，温度为30～60℃。
24.在较佳的实施例中，本发明的方法还包括步骤s5，将s4中的水解产物离心分离、洗涤、烘干、压制粉末。
25.作为本发明的一个实施方案，步骤s5所述洗涤溶剂为正己烷、甲苯、乙酸乙酯中的一种或几种。
26.本发明提出的一种高稳定钙钛矿量子点的制备方法。首先是将油酸铯溶液在合适条件下注入含有硅烷偶联剂的前驱体溶液,获得量子点原液后加入含有磺酸根类有机盐，并通过水解获得原位修饰和封装的量子点。和十二烷基苯磺酸等其它磺酸类物质相比，磺酸类有机盐生成的磺酸根sf属于小分子配体，配体空间位阻低，在量子点表面迁移/配位/钝化速率更快/更高效。此外，十二烷基苯的极性和烷烃/氟代烷烃极性相比更小，磺酸根基团s元素电子云更加偏向极性更强的长链(s元素电子云密度减小)，与量子点成键的氧原子
电子云密度增加，表现出更强的电负性，因此sf结合能力强于十二烷基苯磺酸。
27.磺酸根对量子点的修饰是和水解过程共同进行的，水解过程中，结合能更大的磺酸根离子通过离子交换的方式钝化量子点表面缺陷，与此同时，同样结合到量子点表面的硅烷偶联剂水解缩合形成致密的二氧化硅层，对量子点进行原位包裹。与现有的量子点修饰配体相比，磺酸根能够更加有效的钝化缺陷，并且无需额外的封装材料和步骤，工艺简单高效，有效提升量子点的稳定性。
28.综上，基于量子点表面缺陷导致光热稳定性差的事实，本发明设计一种高稳定钙钛矿量子点的制备方法。本发明利用同量子点表面结合能更强的磺酸类有机盐钝化缺陷，并采用硅烷偶联剂水解形成的致密二氧化硅层对量子点封装，克服了水、氧对量子点的侵蚀，极大地提高了量子点的稳定性。
29.与现有的量子点稳定性提升办法相比，本发明具有以下有益效果：
30.(1)采用本发明制备的量子点稳定性有极大提升；
31.(2)本发明为一步法表面修饰和封装，极大地简化工艺，简单高效，易于工业生产。。
附图说明
32.为了使本发明的内容更容易被清晰地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的目的、优势作进一步说明：
33.图1一种高稳定钙钛矿量子点的制备方法合成工艺示意图。
34.图2量子点修饰前后的tem图像以及xrd图像，cspbbr3(左)、cspbbr3-sf(中)、cspbbr3-sf@sio2(右)的tem图像。
35.图3量子点修饰、封装前后的xrd图像。
36.图4量子点表面修饰后pl增强(a),以及经过紫外led老化测试后的衰减对比(b)。
37.图5量子点修饰和封装前后紫外稳定性测试。
具体实施方式
38.一种高稳定钙钛矿量子点的制备的流程如图1所示，下面借助附图和实例对本发明作进一步的阐述。
39.实施例1
40.cspbbr
3-sf量子点合成步骤如下(如图1所示)：
41.碳酸铯(2.5mmol)、十八烯(30ml)、油酸(2.5ml)混合加入250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h，充分干燥后，充入n2,在氮气氛围下升温至150℃，直至溶液完全变为透明溶液。得到的透明溶液即油酸铯溶液。
42.将十八烯(20ml)、pbbr2(0.376mmol)混合加入另一250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h。充分干燥后，充入n2(抽充三次)后加入油酸(2ml)、油胺(2ml)，120℃下充分搅拌至pbx2充分溶解。固体完全溶解后，升温至170℃，待溶液温度完全稳定后，将前面得到的油酸铯(2ml)快速注入上述溶液，5s后冰水浴冷却，8000r/min离心洗涤后再分散至正己烷即可获得cspbbr
3 qds胶体溶液。向cspbbr
3 qds胶体溶液加入全氟代辛磺酸盐，震荡0.5h后，过滤去除多余盐分即获得表面修饰后的量子点cspbbr
3-sf qds。
43.实施例2
44.cspbbr3 sf@sio2量子点合成表征步骤如下：
45.碳酸铯(2.5mmol)、十八烯(30ml)、油酸(2.5ml)混合加入250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h，充分干燥后，充入n2,在氮气氛围下升温至150℃，直至溶液完全变为透明溶液。得到的透明溶液即油酸铯溶液。
46.将十八烯(20ml)、pbbr2(0.376mmol)混合加入另一250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h。充分干燥后，充入n2(抽充三次)后加入油酸(2ml)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(2ml)，120℃下充分搅拌至pbbr2充分溶解。固体完全溶解后，升温至160℃，待溶液温度完全稳定后，将油酸铯(2ml)快速注入上述溶液，5s后冰水浴冷却。加入适量全氟代辛磺酸盐，搅拌0.5h后轻微离心分离多余的磺酸盐，打开瓶塞室温下搅拌3h，最终5000r/min离心分离沉淀，用正己烷洗涤三次，放入真空烘箱室温过夜即获得最终产物。
47.对比例1
48.cspbbr3量子点合成步骤如下：
49.碳酸铯(2.5mmol)、十八烯(30ml)、油酸(2.5ml)混合加入250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h，充分干燥后，充入n2,在氮气氛围下升温至150℃，直至溶液完全变为透明溶液。得到的透明溶液即油酸铯溶液。
50.将十八烯(20ml)、pbx2(0.376mmol)混合加入另一250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h。充分干燥后，充入n2(抽充三次)后加入油酸(2ml)、油胺(2ml)，120℃下充分搅拌至pbx2充分溶解。固体完全溶解后，升温至170℃，待溶液温度完全稳定后，将前面得到的油酸铯(2ml)快速注入上述溶液，5s后冰水浴冷却，8000r/min离心洗涤后再分散至正己烷即可获得cspbbr
3 qds胶体溶液。。
51.对比例2
52.cspbbr3@sio2量子点合成步骤如下：
53.碳酸铯(2.5mmol)、十八烯(30ml)、油酸(2.5ml)混合加入250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h，充分干燥后，充入n2,在氮气氛围下升温至150℃，直至溶液完全变为透明溶液。得到的透明溶液即油酸铯溶液。
54.将十八烯(20ml)、pbbr2(0.376mmol)混合加入另一250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h。充分干燥后，充入n2(抽充三次)后加入油酸(2ml)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(2ml)，120℃下充分搅拌至pbbr2充分溶解。固体完全溶解后，升温至160℃，待溶液温度完全稳定后，将油酸铯(2ml)快速注入上述溶液，5s后冰水浴冷却。5000r/min离心洗涤后再分散至正己烷即可获得cspbbr
3 qds胶体溶液。
55.表征测试：
56.图2的tem图像显示，量子点经过磺酸盐钝化前后的形貌并未发生改变，而经过二氧化硅封装后的形貌有一定的改变，但是图3xrd结果说明无论是修饰还是封装都未真正改变量子点的晶型，说明本发明提出的方法是可行的。另外图4的pl光谱说明磺酸盐修饰有效钝化表面缺陷，宏观表现为pl的增强，同时led老化的测试结果说明磺酸根延缓了量子点的老化，磺酸盐相较于传统的油酸油胺配体具有更强的结合能。最终将产物涂覆到石英基底，并使用紫外led灯(365nm)进行持续的老化测试，另外在50℃热板上进行热稳定性测试。图5显示出使用本发明后的量子点稳定性的提升效果非常显著。
57.实施例3
58.cspbbr3 sf@sio2量子点合成表征步骤如下：
59.碳酸铯(2.5mmol)、十八烯(30ml)、油酸(2.5ml)混合加入250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h，充分干燥后，充入n2,在氮气氛围下升温至150℃，直至溶液完全变为透明溶液。得到的透明溶液即油酸铯溶液。
60.将十八烯(20ml)、pbbr2(0.376mmol)混合加入另一250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h。充分干燥后，充入n2(抽充三次)后加入油酸(2ml)、苯氨基甲基三甲氧基硅烷(2ml)，120℃下充分搅拌至pbbr2充分溶解。固体完全溶解后，升温至160℃，待溶液温度完全稳定后，将油酸铯(2ml)快速注入上述溶液，5s后冰水浴冷却。加入适量全氟代辛磺酸盐，搅拌0.5h后轻微离心分离多余的磺酸盐，打开瓶塞室温下搅拌3h，最终5000r/min离心分离沉淀，用正己烷洗涤三次，放入真空烘箱室温过夜即获得最终产物。
61.实施例4
62.cspbbr3 sf@sio2量子点合成表征步骤如下：
63.碳酸铯(2.5mmol)、十八烯(30ml)、油酸(2.5ml)混合加入250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h，充分干燥后，充入n2,在氮气氛围下升温至150℃，直至溶液完全变为透明溶液。得到的透明溶液即油酸铯溶液。
64.将十八烯(20ml)、pbbr2(0.376mmol)混合加入另一250ml两口烧瓶中，120℃下真空搅拌干燥1h。充分干燥后，充入n2(抽充三次)后加入油酸(2ml)、n-β(氨乙基)-y-氨丙基三甲氧基硅烷(2ml)，120℃下充分搅拌至pbbr2充分溶解。固体完全溶解后，升温至160℃，待溶液温度完全稳定后，将油酸铯(2ml)快速注入上述溶液，5s后冰水浴冷却。加入适量全氟代辛磺酸盐，搅拌0.5h后轻微离心分离多余的磺酸盐，打开瓶塞室温下搅拌3h，最终5000r/min离心分离沉淀，用正己烷洗涤三次，放入真空烘箱室温过夜即获得最终产物。
65.显然，上述实例仅仅是为了清楚的说明本发明所进行的距离，并非对实施方式、实施对象的限定，在上述说明的基础上还可以做其他不同形式的改变，在此无需也无法通过穷举所有的实施方式，而由此引申的显而易见的变动亦属于本发明创造的保护范围中。