化學諾貝爾獎揭曉后--量子點連續(xù)流合成你做了嗎？

更新時間：2023-11-24 點擊次數(shù)：2394

量子點（QD）是三維尺寸在2~10納米（10~50個原子）范圍內(nèi)具有尺寸可調(diào)特性的半導(dǎo)體納米晶體。由于其納米級尺度，它們表現(xiàn)出量子限制效應(yīng)，從而產(chǎn)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(diào)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(fā)射光譜。由于量子點尺寸可調(diào)發(fā)光、能夠用單一光源激發(fā)多種熒光顏色、高亮度和長期光穩(wěn)定性等優(yōu)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

利用微通道反應(yīng)器合成備受關(guān)注的納米量子點的優(yōu)勢有哪些？
如何突破量子點材料介質(zhì)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(yī)藥學等領(lǐng)域的應(yīng)用？

近年來，連續(xù)流技術(shù)越來越受到重視，在新材料領(lǐng)域取得了不少新的研究成果。采用連續(xù)流水相合成高發(fā)光AgInS₂及AgInS₂/ZnS量子點的優(yōu)勢：

更安全、環(huán)保，無重金屬毒性，可拓展應(yīng)用范圍；
突破釜式量子點水相合成工藝的一致性和重現(xiàn)性的挑戰(zhàn)；
連續(xù)流技術(shù)精確控制反應(yīng)條件，具有生產(chǎn)更嚴格尺寸控制和更高重現(xiàn)性的量子點的潛力。

反應(yīng)原液制備

通過L-谷胱甘肽、InCl₃和AgNO₃準備了GSH/In/Ag混合原液，以Na₂S或(NH₄)₂S為原料準備了硫前驅(qū)體原液，再由L-谷胱甘肽、Zn(OAc)₂·2H₂O和硫脲準備了ZnS殼增長原液。

連續(xù)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(yīng)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(qū)體溶液為反應(yīng)原料，通過進料泵輸送至反應(yīng)器中，測試不同的反應(yīng)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(qū)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(qū)體原液分別通過進料泵輸送至反應(yīng)器中，測試了如下反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(qū)體種類（停留時間8min、溫度100℃）對合成的AIS納米晶核熒光性質(zhì)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(qū)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(zhì)的影響。

表1：改變不同的實驗參數(shù)，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(qū)體，在反應(yīng)溫度100℃、AIS核量子點和殼前驅(qū)體原液比例1:1、停留時間15min的反應(yīng)條件下，所得產(chǎn)物能達到最高83%的熒光量子產(chǎn)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(chǎn)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。

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(fā)光樣品合成的高重現(xiàn)性；
對連續(xù)流實驗參數(shù)進行了高效優(yōu)化，所合成的AIS/ZnS核/殼量子點熒光量子產(chǎn)率最高可達83%；
AIS核量子點相對較高的熒光量子產(chǎn)率（平均32%）可歸因于供體-受體對的重組過程中缺陷態(tài)的高密度；
該連續(xù)流合成工藝非常穩(wěn)健，易于放大，可用于生產(chǎn)高發(fā)光、不含有毒重金屬的AIS/ZnS核/殼量子點并可應(yīng)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