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鄭州大學宋繼中教授團隊 Adv. Mater.：新策略！綠色合成-開辟鈣鈦礦量子點熒光粉合成新思路

2024-01-23 來源：高分子科技

鈣鈦礦量子點（QD）憑借其超高的發光效率、光譜精細可調、色純度高等優勢，被認為是未來照明光源理想的候選者。目前鈣鈦礦量子點的合成主要采用化學溶液法，一方面，溶液法往往需要合成、分離以及純化等多道工序，工藝相對復雜，不利于放大生產；另一方面，溶液法的合成和純化過程不可避免的需要使用大量有機溶劑，不僅有環境污染的困擾，而且去除溶劑過程會增加額外的工藝和成本，此外化學溶液法批次重復性差、原料利用率低等問題也嚴重制約其擴大規模化生產。因此，開發綠色、低成本、簡易的大規模制備工藝對于鈣鈦礦量子點的產業化進程至關重要。

為此，鄭州大學宋繼中團隊提出了一種全新的全固態綠色合成方法——聚合物表面限域的機械化學反應（PMR）策略，以聚合物作為反應介質，利用高速研磨粉碎機的高速攪拌力為反應驅動力，在極短的反應時間內（100 s）就能成功制備出發光效率（PLQY）超90%的高質量發光鈣鈦礦QD熒光粉。

圖1 PMR合成鈣鈦礦量子點熒光粉的示意圖

PMR開辟了鈣鈦礦量子點熒光粉合成的新思路：（i）采用超高轉速（>15000 rpm）的粉碎機產生足夠強的機械力，促使金屬鹽前體和有機鹵化物的快速混合，進而使前驅體能夠快速轉化為鈣鈦礦；（ii）引入具有豐富表面特征的聚合物顆粒提供均勻的反應環境和充足的生長空間，促使生成的鈣鈦礦可控地分散于聚合物表面，改善顆粒的分散均勻性；（iii）合成過程無溶劑、無廢料、無需進一步分離純化，可直接用于加工應用，大大簡化工藝，降低生產成本。這些特點使PMR能夠以高材料利用率（100%產率）、高合成速率（1 kg/min）和綠色（無溶劑）的方式成功制造出PLQY超過90%的高質量綠色CsPbBr₃鈣鈦礦量子點。

圖2 PMR合成的鈣鈦礦量子點熒光粉的微觀結構圖

更重要的是，聚合物的引入賦予了熒光粉的高度可加工性和可塑性，QD熒光粉可以采用熱壓、3D打印等方式，加工成各種圖案、形狀以及大小的固體熒光發射體，用于不同的發光場合，且塑化后的固體熒光發射體表現出更穩定的發光性能。例如，通過將365 nm UV LED芯片與所制備的藍色CsPbBrCl₂、綠色CsPbBr₃和黃紅色TPP₂SbCl₅熒光粉結合，他們成功制備了CIE色坐標為（0.33，0.33），色溫為5555 K的WLED，這表明所制備的鈣鈦礦熒光粉在照明光源領域極具應用前景。

圖3 鈣鈦礦熒光粉的加工性和照明應用

此外，PMR策略在金屬鹵化物鈣鈦礦熒光粉的制備方面具有極大的通用性，通過調節前驅鹽的種類和配比，可以合成出不同發光顏色Pb基鈣鈦礦熒光粉以及開發各種無Pb金屬鹵化物熒光粉；另外可以采用20多種聚合物來制備鈣鈦礦熒光粉，利用聚合物不同的加工特性，可以實現不同形態的硬質或柔彈性發光體的加工成型，以滿足不同場合的應用需求。

圖4 PMR合成不同顏色和組分的鈣鈦礦熒光粉

提出的PMR策略為規模化制備鈣鈦礦QD熒光粉開辟了一種更簡便（工藝簡單易操作）、更節能（反應時間短、無需高溫、無惰性環境）、更高效（合成速率高）、綠色環保（無溶劑、無廢料）的新思路。該研究不僅可以為高通量鈣鈦礦量子點合成開辟新的視覺，而且可以為探索新的鈣鈦礦體系提供新的機遇。該方法有望成為制造高質量鈣鈦礦QD熒光粉的最佳方案，符合機械化學的最終目標：更清潔、更安全、更高效的綠色無溶劑合成思想。

該研究工作，以“Polymer-Surface-Mediated Mechanochemical Reaction for Rapid and Scalable Manufacture of Perovskite QD Phosphors”為題在線發表于《Advanced Materials》上（Zhang et al, Advanced Materials (2024)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310521

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（責任編輯：xu）

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