硅点复合材料的制备及其在氧气传感与光转换领域的应用

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硅点是一种新型的荧光纳米材料,由于其优异的荧光性能、良好的生物相容性、高的化学活性和无毒(低毒)环保等优点,近年来被广泛应用在化学传感、生物成像和光电器件领域。到目前为止,该领域的绝大部分工作都是关于硅点水溶液的荧光性能及应用。在本文中,我们开展了硅点复合材料的制备及其在传感与光转换领域的研究,并初步探究了硅点固态发光的机理以及构建硅点固态多色发光,使其更好地应用在光电、传感和光转换领域。本文主要工作如下:(1)我们制备了一系列硅点组装介孔SBA-15复合发光材料,并首次将复合材料应用到氧气传感领域。首先采用水热法制备了介孔SBA-15和水溶性硅点(Si NPs)。由于氢键的相互作用,硅点成功地组装到介孔SBA-15孔道中,获得了蓝色发射复合发光材料(SBA-15/Si NPs)。由于介孔SBA-15具有较大的孔径、较高的表面体积比,复合材料对二氧化碳的反应很小,对氧气具有很高敏感性,响应时间为6-10 s。本研究为Si NPs能够成功进入SBA-15孔道提供了足够的理论和实验依据,揭示了我们构建的SBA-15/Si NPs体系在氧气传感方面有巨大的潜能。(2)制备了硅点组装三种不同形貌介孔二氧化硅复合材料,并将这三种复合材料应用于氧气传感,探究介孔材料结构及其传感性能的构效关系。首先采用水热法制备了圆形介孔二氧化硅材料(SPSBA-15)、长形介孔二氧化硅材料(LRSBA-15)和六方形介孔二氧化硅材料(HPSBA-15)这三种介孔二氧化硅材料。为了探究Si NPs的最佳掺杂量与介孔材料结构之间的关系,我们设置了一系列的Si NPs体积梯度,对其复合材料进行了荧光分析和结构表征。由于介孔材料HPSBA-15具有均匀、近似平行的多孔结构,具有较大的表面积和较窄的孔径分布,它可以容纳最多的Si NPs。这三种复合发光材料对氧气都具有很好的选择性与敏感性,其中HP8杂化材料响应时间最短为2.2 s,恢复时间最短为11.2 s。结果表明,利用具有较大BET表面积的介孔二氧化硅材料可以获得更灵敏的氧传感材料。(3)采用冷冻干燥法制备了具有蓝、黄双峰发射特性的自猝灭型固态荧光粉(pSi NPs)。另外,p-Si NPs的蓝带发射被归因于石墨化核,而p-Si NPs的黄带发射来自于俘获表面态。在此基础上,首次提出了通过调整p-Si NPs的表面缺陷来获得多色Si NP粉体的高温煅烧策略。通过调节煅烧时间和温度,得到了一系列从蓝色到红色波长的多色Si NP粉体。结构和光谱特征证明它们的荧光红移的机制是由于氧相关的表面状态,而不是尺寸效应。由于其独特的多色发射特性,获得了相关的多色发光二极管器件(LED),以探索其在固态照明领域的应用前景。结合羧甲基纤维素(CMC)和SSF-2粉体制备了SSF-2基膜,探讨了其作为光转换膜(LCFs)在农业种植领域的应用前景。
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