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中山大學吳武強/昆士蘭大學王連洲《Nat. Commun.》：大面積防水耐用的鈣鈦礦發光紡織品

2023-01-19 來源：高分子科技

近年來，鹵化鉛鈣鈦礦在可穿戴光電子學領域展示了廣闊的應用潛力，然而其實際應用受限于它們在光照、濕度和溫度應力下的不穩定性、有害的鉛離子泄漏以及大規模高通量制備均勻發光紡織品仍存在困難。為了克服這些障礙，中山大學吳武強教授團隊聯合昆士蘭大學王連洲教授團隊，通過簡易靜電紡絲技術實現了高通量、低成本制備超穩定的大面積（> 375 cm2）鈣鈦礦復合纖維（PLT）。該鈣鈦礦紡織品展現了明亮且窄帶光致發光（光致發光量子產率（PLQY）49.7 %，FWHM <17 nm），室溫條件下的T₅₀發光時長可達14193小時，展示了優異的水穩定性（浸泡水時長> 3300 h），耐強紫外線照射，高溫（高達250°C）和壓力激增（30MPa）耐受性等。防水的鈣鈦礦紡織品能夠經受強烈的水沖刷，展現可忽略不計的鉛泄露。此外，該發光紡織品的成本為~0.05 $/cm2，顯示了低成本大規模生產的前景，這些低成本制備且可擴展的PLT可以滿足在海上救援中的突破性應用。

與之前關于聚合物封裝鈣鈦礦復合材料的研究不同，本研究采用了一種簡單的單噴嘴靜電紡絲方法（如圖1a所示），可以直接、連續地大規模生產PLT，產速可以達到~1500 cm²/h。該PTL可以應用在大面積圖案化顯示、平板照明和其他可穿戴光電子領域（圖1b）。特別地，鈣鈦礦被包裹在聚合物、環糊精超分子和氟化疏水硅烷材料中，其中疏水性樹脂聚合物作為載體負載鈣鈦礦納米顆粒，提供防水性能的同時并確保其機械柔韌性。具有主體結構的桶狀環糊精分子（HPβCD），其沿內外腔壁具有多齒羥基，可以與鈣鈦礦強烈相互作用形成穩定的主客體復合物，同時鈍化鈣鈦礦的晶體缺陷。如電子顯微鏡（SEM）圖1c 所示，在靜電紡絲過程中，僅僅只有聚丙乙烯（PS）的聚合物作為一個纖維支架可以將CsPbBr₃納米晶體固定在基質中。然而，大量的CsPbBr₃晶體形狀不規則且尺寸偏大。相比之下，CsPbBr₃@HPβCD復合材料制成的纖維薄膜在聚合物基體的內部和/或表面有更均勻的分散（圖1d）。這主要得益于HPβCD會自聚集和共聚形成具有中尺度和/或宏觀空腔的團簇網絡，這可以在空間上限制晶體生長，限制CsPbBr₃納米晶體顆粒尺寸的進一步增大。在高壓電場輔助的靜電紡絲過程中，HPβCD團簇被自發地擠壓到CsPbBr₃納米晶的表面，形成一個巧妙的穩定的主客體復合物的同時還穩定和鈍化了CsPbBr₃的表面缺陷。鑒于部分CsPbBr₃納米晶體暴露在纖維膜表面，不利于保證CsPbBr₃@HPβCD纖維膜良好的耐水性，從而限制了其實際應用，縮短了其壽命。為了解決這一問題，在靜電紡絲過程中，我們將全氟硅烷（PFOS）作為一種分離的納米相成分加入到CsPbBr₃@HPβCD纖維復合材料中（圖1e）。一方面，極疏水的PFOS可以自發地完全覆蓋纖維的外表面，因此沒有觀察到暴露的CsPbBr₃納米晶體（圖1e，with PFOS）。另一方面，疏水PFOS分子中許多氟(F)原子可以與HPβCD中的-OH基團形成強大的氫鍵，從而構建一個具有良好界面接觸的CsPbBr₃@HPβCD@PFOS復合纖維。更重要的是，厚度約為50 nm PFOS可以作為一個有效的保護層（圖1f）來增強納米纖維復合膜的防水性。通過高分辨電子透射顯微鏡（HRTEM）鑒定了CsPbBr₃@HPβCD復合纖維的晶態和非晶態區域（圖1f）。晶體區域表現出清晰的晶格條紋（即距離0.356 nm），對應于高結晶CsPbBr₃的（111）晶體面。

圖1. PLT的制備過程示意圖和形貌表征

考慮到海洋環境和真實環境是復雜和動態的（如水流速度、pH值和深度），他們專門研究了PLT的抗酸/堿性，并評估了其安全性和可靠性。CsPbBr₃@HPβCD@PFOS紡織品在pH = 1.2（PLQY = 31.4%）和pH = 12.8（PLQY = 36.3%）的水中浸泡24小時后，保存了其PLQY的~63-73 %。在該研究中，PLT在水中的高壓耐受性也進行了評估，其表明當救援者或者潛水儀器潛入深海時，在高壓30 MPa 擠壓（相當于水下3000米的深度），PLT仍然保持了其初始PL強度的38%（圖2a）。此外，基于CsPbBr₃@HPβCD@PFOS的PLT顯示出很強的抗水性，即使在浸泡3260 h后（圖2b），依舊保持 85% 的熒光強度。利用自制的動態水裝置模擬了570 mL/ min快速流速沖刷下PLT的真實情況，結果顯示PLT可以連續發出綠光（圖2c）。電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測量結果表明，在動態水沖刷3300小時過程中，泄露的Pb²⁺濃度僅僅為3.94 ppt，這低于世界衛生組織規定的安全飲用水的Pb²⁺濃度（<0.01 ppm）8個數量級。這種抑制鉛離子泄漏的優異能力可以歸因于HPβCD團簇對重金屬離子的原位封裝和有效的化學吸附。

圖2. PLT在海上救援中的應用

這項工作，將促進下一代智能和可穿戴光電子領域的發光紡織品的大規模生產和實際應用。該工作以“Large-area waterproof and durable perovskite luminescent textiles”為題發表在《Nature Communications》上。文章共同第一作者是中山大學博士后田甜博士和博士生楊梅芳，王連洲教授和吳武強教授為通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35830-8

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（責任編輯：xu）

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