CsPbBr3纳米材料的水稳定性提高策略及其光学应用研究

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钙钛矿量子点(PQDs)由于其独特的光学特性在过去几年中引起了人们的极大兴趣并受到广泛关注。全无机和有机-无机钙钛矿量子点材料在发光二极管、太阳能电池、光电探测器等器件的应用中显示出巨大的潜力。然而,钙钛矿量子点材料对温度、氧气和水分等外界环境因素极其敏感,会发生降解使其结构变得不稳定从而导致其光学性能下降,这些不足致使钙钛矿量子点材料的商业应用发展受到严重阻碍。其中,水稳定性差是其目前亟需攻克的主要关键问题。因此,探索简单有效的改善钙钛矿量子点材料水稳定性的策略非常必要。本论文主要提出以下三种改善策略,探究了这三种策略提高钙钛矿量子点材料水稳定性的效果,证明了其在不同领域具备广阔的应用前景。本论文的主要研究内容如下:1.合理设计了碳量子点(CQDs)掺杂策略,通过稳定钙钛矿量子点的内部结构提高CsPbBr3的水稳定性。利用CQDs作为掺杂剂添加到钙钛矿前驱体溶液中,借助聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)作为成膜剂,通过简单的旋涂方法在室温下制备了 CQDs-CsPbBr3@PVDF薄膜。研究表明:掺杂CQDs能提高CsPbBr3的水稳定性,CQDs-CsPbBr3@PVDF薄膜在水中浸泡50天后荧光强度能保持在其初始值的85%。此外,掺杂CQDs后,CsPbBr3@PVDF在可见光下的光电流从0.1 mA增加到0.9 mA,表明CQDs的加入有利于CsPbBr3的电荷转移。最后,所制备的CQDs-CsPbBr3@PVDF复合薄膜也被证明适用于LED领域。2.合理设计了分层曲面构建策略,通过内外稳定法提高钙钛矿的水稳定性。在CQDs作为掺杂剂的基础上,利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与其协同作用取代常用的油酸、油胺组合配体,消除配体间的质子转移作用诱导的配体解吸影响,使钙钛矿量子点材料的内部结构达到稳定。同时,CTAB作为阳离子表面活性剂,使SiO2涂层与钙钛矿量子点紧密结合,一定程度上阻止了钙钛矿量子点材料受到外部环境的影响。研究表明:该材料直接被分散在水相中,其荧光效率在2 h内仅下降约15%。基于此,成功地构建了一种检测Fe3+的荧光薄膜传感器,该传感器对Fe3+检测的线性范围为7.70 ×10-10-4.11 × 10-4 mol·L-1,检测限为1.10 × 10-11 mol·L-1。由于附着在薄膜表面的Fe3+易被水去除,薄膜的荧光很容易恢复,表明该材料薄膜具备应用于机密信息加密的前景。3.合理设计了原位生长核壳结构策略,通过完全隔离与外界环境的接触提高钙钛矿的水稳定性。利用2-甲基咪唑作为触发剂,引入过量的水在CsPbBr3表面生成PbBrOH壳,将PQDs完全包裹于PbBrOH,避免了 PQDs与水、氧气等的接触。该方法操作简单,重现性好。制备的CsPbBr3@PbBrOH纳米棒的水稳定性优异,在水中分散60天后,其荧光强度仍能保持初始值的91%。此外,在不同极性的溶剂和严酷的环境下(如超声波处理、紫外线照射、热处理、不同酸碱度的溶液中),该材料仍然表现优异的性能,荧光强度变化幅度较小。基于此,成功构建了一种能够对免疫球蛋白Human IgG进行灵敏测定的荧光免疫传感器,该传感器对IgG测定的线性范围为1.00 × 10-11-1.00 × 10-4 g·mL-1,检测限为3.30 × 10-12 g·mL-1,表明该CsPbBr3@PbBrOH在生物领域具有潜在应用.
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