光功能材料与器件

作者:管理员   发表时间:2017-08-26 08:24:48   点击量:

1. 高效稀土发光纳米材料的制备及其在生物领域的应用

近年来,近红外可见上转换纳米颗粒已经成为生物和药物应用领域的一类强有力的工具,如细胞标记、活体成像,FRET生物传感器,药物传输和光动力治疗等等。我们设计和制备了具有核/壳/壳三明治夹心结构的NaYF4:Yb0.2,Er0.02@NaYF4:Yb0.1@NaNdF4:Yb0.1的纳米颗粒,由于Nd3+在800nm附近有很强的吸收截面,并且从Nd3+到Yb3+之间存在高效的能量转移,NaYF4:Yb0.1过渡层的存在既可以实现能量从Nd3+经由Yb3+传到活化剂Er3+而发出可见光,又可以阻止能量从活化剂(Er3+)回传到敏化剂Nd3+引起发光猝灭,因而大大提高了纳米颗粒的发光强度和上转换发光效率,并在小鼠实验中表现出更好的穿透效果。采用不同的活化剂(Er3+,Tm3+,Ho3+)时,可以实现800nm激光激发下的上转换纳米材料的多色发光(Adv. Mater.2014, 26, 2831-2837)。合成了以氟化钙为基质、10 nm左右的CaF2:Yb/Er@CaF2:Nd/Yb上转换纳米颗粒。在CaF2:Nd/Yb壳层中,通过Na+与稀土离子共掺杂,提高了材料的结晶度,延长Nd3+和Yb3+亚稳态能级的激发态电子寿命,提高上转换过程中的能量传递效率,极大地增强了纳米颗粒的上转换荧光强度(J. Phys. Chem. C DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b05639)。这些高性能的上转换发光纳米颗粒很可能在生物应用领域得到广泛的应用。相关研究成果被Wiley中国作为研究亮点进行了专门报道。

图1多组分核-壳-壳纳米颗粒的结构、电镜照片和生物成像结果


在此基础之上,我们利用各向异性生长构建了哑铃形的NaYF4:Yb0.2,Er0.02@ NaNdF4:Yb0.1纳米颗粒(图6),一方面,哑铃形的结构保证了大量敏化剂Nd3+的存在,并且和活化剂存在一定的空间距离,降低从活化剂到敏化剂的能量回传,提高上转换发光效率;另一方面,这种结构保证了大部分活化剂都可以参与到与周围环境中光敏化剂的能量转移,因而可以产生大量的单线态氧,提高光动力治疗的效果。更重要的是,这种结构合成过程简单,不需要对壳层厚度进行精细控制,提供了一种高效800nm激发的上转换发光材料的简单制法,便于其进一步应用(J. Mater. Chem. B 2016, 4, 2776–2784)。



图2哑铃型纳米颗粒的电镜照片、细胞毒性和光动力治疗效果图

2. 用于水分解的高效光催化剂和光电催化电极材料

利用太阳光分解水产生氢气是解决能源危机的可能途径,并且可以避免化学能源带来的环境污染问题,因而成为人们关注和研究的热点领域。尽管近年来,光催化剂和光电催化电极材料的研究取得了长足进步,其光(电)催化分解水的效率仍然偏低。基于二维材料的高比表面带来的活性位点增多,便于助催化剂的复合等,开展了基于二维材料的高效光解水催化剂的研究工作。以二氧化钛超薄片-油胺杂化材料作为前驱体,分别制备了TiO2超薄片/CTiO2纳米颗粒/C的复合材料。将这些纳米结构材料表面担载贵金属Pt,研究了其光解水催化性能。发现无论何种形貌的纳米结构与C复合以后,光催化性能都得到了显著提升,而且在复合体系中,超薄片结构和纳米颗粒结构的光催化活性也基本相同。这主要是由于表面C的存在能够有效地阻止光生电子和空穴的快速复合并有利于传输电子到担载Pt颗粒表面进行光还原水制氢的反应(J. Mater. Chem. A 2015, 3, 10060-10068,RSC Advance 2015, 5, 93635–93643, Appl. Surf. Sci. 2017, 409, 241-249)。



图3 TiO2超薄片/C和TiO2纳米颗粒/C复合材料及其光催化活性比较

通过制备方法的精细调控,实现了高度分散的C3N4二维材料的制备,初步实验结果表明这种有序度高、比表面大的C3N4纳米材料表现出了优异的光催化活性,在全光谱范围下的光催化活性接近P25,并且具有非常高的可见光催化活性。


图4 C3N4纳米材料在λ>300nm(左)和λ>420nm(右)光照下的光催化活性

采用掺杂、催化剂和钝化层修饰等方法对光阳极的光电催化性能进行改善,发现了既具有促进光氧化动力学作用,又可以钝化光阳极表面的新型复合催化材料。

3. 新型全无机钙钛矿发光纳米材料

作为一类新兴的发光材料,全无机钙钛矿纳米材料发光效率高、色彩饱和度高,并且在稳定性方面优于有机-无机杂化钙钛矿材料,在LED和激光等方面具有潜在应用。尽管过去几年来,全无机钙钛矿量子点的制备得到了快速发展,但是对于量子尺寸效应显著的小尺寸低维材料不易实现室温可控制备。我们通过前驱体的调节,减缓了晶体生长的动力学过程,因而可以实现室温一维和二维小尺寸CsPbBr3纳米材料的制备,由于二者具有相似的尺寸(棒的径向和片的厚度),都表现出较强的蓝光发射性能。

图5 CsPbBr3纳米棒和纳米片及其发光性能




 网站备案号:鄂ICP备xxxx号                                                                             相关链接                                     

 版权所有:华中科技大学新材料与器件研究中心所有                                          华中科技大学                                                   Visitors                 
 联系地址:湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号华中科技大学                               
材料科学与工程学院                                           counter free

 邮政编码:430074; 联系电话:027-87559826                                               材料成形与模具技术国家重点实验室