化學諾貝爾獎揭曉后--量子點連續流合成你做了嗎？

量子點（QD）是三維尺寸在2~10納米（10~50個原子）范圍內具有尺寸可調特性的半導體納米晶體。由于其納米級尺度，它們表現出量子限制效應，從而產生顯著的光學和電學特性。量子點的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進行調整。

鎘（Cd）基、銦（In）基、硫化鉛（PbS）、鈣鈦礦以及新興的硫銦銅（CuInS2）、砷化銦（InAs）、硒碲鋅（ZnTeSe）等量子點材料具有不同的帶隙，因而具有不同的吸收和發射光譜。由于量子點尺寸可調發光、能夠用單一光源激發多種熒光顏色、高亮度和長期光穩定性等優異性能，使其在生物傳感、藥物輸送、生物成像、LED和光催化等領域有著廣泛的應用。

• 利用微通道反應器合成備受關注的納米量子點的優勢有哪些？

• 如何突破量子點材料介質中鎘或鉛的重金屬毒性，以及有機相量子點體系無法直接用于水相體系法的限制，進一步擴展在生物醫藥學等領域的應用？

   

近年來，連續流技術越來越受到重視，在新材料領域取得了不少新的研究成果。采用連續流水相合成高發光AgInS₂及AgInS₂/ZnS量子點的優勢：

• 更安全、環保，無重金屬毒性，可拓展應用范圍；

• 突破釜式量子點水相合成工藝的一致性和重現性的挑戰；

• 連續流技術精確控制反應條件，具有生產更嚴格尺寸控制和更高重現性的量子點的潛力。

連續流合成AIS和AIS/ZnS量子點：

 

圖1：用于合成AIS核和AIS/ZnS核/殼量子點的方案

（P：泵；T：T型混合器，TR：管狀反應器，BPC：背壓控制器，SC：樣品收集器）

在AIS核量子點合成中，以等體積的GSH/In/Ag原液和硫前驅體溶液為反應原料，通過進料泵輸送至反應器中，測試不同的反應條件：溫度（80、100、120和150℃）、壓力（3、5和8bar）、停留時間（8、10、15和30min），并以(NH₄)₂S作為硫前驅體進行了相同測試。

在AIS/ZnS核/殼量子點合成中，將AIS核量子點和殼前驅體原液分別通過進料泵輸送至反應器中，測試了如下反應條件：溫度（100和120℃）、壓力（3和5bar）、停留時間（8、10和15 min）。

圖2：在不同溫度（a）、反應時間（b）、壓力（c）和不同硫前體（d）下獲得的AIS核量子點的紫外-可見吸收光譜

 

上圖分別表征了不同反應溫度（停留時間8min、壓力3bar）、停留時間（溫度100℃、壓力3bar）、壓力（停留時間8min、溫度100℃）和硫前驅體種類（停留時間8min、溫度100℃）對合成的AIS納米晶核熒光性質的影響。

圖3：添加殼前體的量（a）、ZnS殼增長原液pH值（b）及AIS納米晶核種類（c）對AIS/ZnS核/殼量子點熒光特性的影響

 

上圖分別表征了不同的殼增長前驅體用量、ZnS殼增長原液pH值和AIS納米晶核種類對合成的AIS/ZnS核/殼量子點熒光性質的影響。

表1：改變不同的實驗參數，AIS/ZnS核/殼量子點合成的匯總

 

上表為AIS/ZnS核/殼量子點不同的合成條件，其中以Zn(Ac)₂為前驅體，在反應溫度100℃、AIS核量子點和殼前驅體原液比例1:1、停留時間15min的反應條件下，所得產物能達到最高83%的熒光量子產率。

圖4：AIS核和AIS/ZnS核/殼納米晶體的透射電鏡圖

 

通過透射電鏡對所合成的量子點產物進行表征，AIS核量子點的平均粒徑為1.67±0.6nm，AIS/ZnS核/殼量子點的平均粒徑為2.35±0.8nm。

1. 作者通過流動化學水相合成法制備了AIS和AIS/ZnS核/殼量子點，該方法可確保高發光樣品合成的高重現性；

2. 對連續流實驗參數進行了高效優化，所合成的AIS/ZnS核/殼量子點熒光量子產率最高可達83%；

3. AIS核量子點相對較高的熒光量子產率（平均32%）可歸因于供體-受體對的重組過程中缺陷態的高密度；

4. 該連續流合成工藝非常穩健，易于放大，可用于生產高發光、不含有毒重金屬的AIS/ZnS核/殼量子點并可應用于照明、顯示和（生物）檢測等各種場景。

 

參考文獻：J. Phys. Chem. C 2022, 126, 48, 20524–20534