近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員曲松楠課題組首次研制出高載負量、高熒光亮度的碳納米點@二氧化硅復合凝膠。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)具有高載負量、高熒光亮度的碳納米點@二氧化硅復合凝膠，并可進一步獲得熒光效率高達41%的干凝膠粉體材料，在開發(fā)基于碳納米點的發(fā)光器件領域具有重要的應用前景。該成果發(fā)表在國際期刊《材料化學》（Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b05375）上，第一作者為助理研究員周鼎。該工作獲得了國家青年基金、中科院卓越青年科學家項目、中科院青促會、吉林省中青年科技創(chuàng)新領軍人才及團隊項目和發(fā)光學及應用國家重點實驗室重大創(chuàng)新項目等支持。

　　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注，被認為是可能改變未來照明世界的八種發(fā)光新材料技術之一，其在生物成像、傳感、催化、激光、光電器件及照明等領域具有潛在的應用。然而，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量的復合體系下，可以得到高的熒光量子效率，但是當提高碳納米點載負量時，熒光量子效率卻會大幅降低，不能應用于高亮度的照明器件。因此，如何在高載負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)光器件中應用的關鍵。

　　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合材料。研究中發(fā)現(xiàn)，當碳納米點乙醇溶液濃度較低時，得到的是碳納米點@二氧化硅復合納米粒子。由于碳納米點在復合納米粒子中載負量較低，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。當增加碳納米點乙醇溶液濃度時，雖然復合材料中載負量增加，但是由于制備過程中碳納米點之間相互碰撞幾率增大，導致聚集，使得最終獲得的復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合二氧化硅，進而形成凝膠。該碳納米點@二氧化硅復合干凝膠粉末熒光量子效率高達41%，同時碳納米點在材料中的質量分數(shù)為19.2 wt%，進而實現(xiàn)高載負量、高熒光量子效率復合材料的合成。同時，這種制備方法也適用于表面同樣具有豐富羥基的藍光碳納米點，進而得到高熒光亮度的藍光碳納米點@二氧化硅復合凝膠。基于高載負量以及強熒光性質，該復合材料可以作為顏色轉換層應用于發(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。

　　碳納米點@二氧化硅復合材料的（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。

　　不同濃度的碳納米點與二氧化硅形成復合材料的制備過程示意圖。

　　碳納米點@二氧化硅復合凝膠的（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。

　　（a）基于碳納米點@二氧化硅高效復合材料制備出的體相材料在紫外光下照片；（b）顏色轉換層材料為碳納米點與二氧化硅高效復合材料的發(fā)光LEDs的（b）發(fā)光光譜和（c）照片。