近日，中科院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@二氧化硅復(fù)合凝膠。該工作利用碳納米點表面大量的羥基官能團引發(fā)正硅酸乙酯水解，在碳納米點表面原位包覆二氧化硅。在高濃度的碳納米點乙醇溶液中，實現(xiàn)具有高載負(fù)量、高熒光亮度的碳納米點@二氧化硅復(fù)合凝膠，并可進一步獲得熒光效率高達(dá)41%的干凝膠粉體材料，在開發(fā)基于碳納米點的發(fā)光器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
碳納米點@二氧化硅復(fù)合材料的（a）熒光量子效率、（b）熒光強度、（c）熒光壽命隨碳納米點乙醇溶液濃度的變化曲線
發(fā)光碳基納米點是近幾年發(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、制備簡單、光穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，進而引起國際上的廣泛關(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。
基于碳納米點的固態(tài)發(fā)光材料發(fā)展遇到瓶頸，主要問題是碳納米點在固態(tài)時存在嚴(yán)重的因聚集引起熒光淬滅。雖然已有報道證明在碳納米點低載負(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)提高碳納米點載負(fù)量時，熒光量子效率卻會大幅降低，不能應(yīng)用于高亮度的照明器件。因此，如何在高載負(fù)量的碳納米點體系下實現(xiàn)高的熒光量子效率，進而實現(xiàn)高亮度的發(fā)光，已成為碳納米點在發(fā)光器件中應(yīng)用的關(guān)鍵。
該課題組利用碳納米點表面具有的大量羥基官能團引發(fā)正硅酸乙酯水解，可原位包覆二氧化硅的方案，制備出碳納米點與二氧化硅的復(fù)合材料。研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳納米點乙醇溶液濃度較低時，得到的是碳納米點@二氧化硅復(fù)合納米粒子。
不同濃度的碳納米點與二氧化硅形成復(fù)合材料的制備過程示意圖
由于碳納米點在復(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，但是熒光強度很弱。當(dāng)增加碳納米點乙醇溶液濃度時，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乙醇溶液中，由于碳納米點在短時間內(nèi)引發(fā)正硅酸乙酯水解，因而使得碳納米點在尚未聚集時，即在碳納米點表面原位復(fù)合二氧化硅，進而形成凝膠。
碳納米點@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
該碳納米點@二氧化硅復(fù)合干凝膠粉末熒光量子效率高達(dá)41%，同時碳納米點在材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.2wt%，進而實現(xiàn)高載負(fù)量、高熒光量子效率復(fù)合材料的合成。同時，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，進而得到高熒光亮度的藍(lán)光碳納米點@二氧化硅復(fù)合凝膠?；诟咻d負(fù)量以及強熒光性質(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。
（a）基于碳納米點@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
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