纳米材料的制备方法与流程

2021-02-02 18:02:32|

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本发明属于纳米合成技术领域，具体涉及一种纳米材料的制备方法。

背景技术：

以光学应用为目的通过溶液法合成的纳米材料，往往需要一层或多层的无机壳层的包覆以解决化学稳定性和提高光学性能的问题。目前，研究较为广泛而且发展最为迅速的纳米材料是近似球形的纳米粒子，由于纳米粒子各向同性的特点，其表面原子的化学活性基本一致，在纳米粒子壳层活性相同的条件下，表面壳层的生长一般都以洋葱似的结构实现层层均匀包覆，因此纳米粒子的核壳结构最终也是近似球形的结构。

近年来，随着溶液法合成纳米材料研究的进一步深入，一种更具吸引力的纳米材料被开发出来，那就是纳米片。纳米片与以往的纳米粒子不同，它是一个厚度叫小(一般为0.6-2.1nm)，而长和宽交大(5到20nm)的近似矩形的块状结构。纳米片最大的优点是半峰宽特别窄(<10nm，512nm@20℃)，如此窄的半峰宽基本接近了在室温下热能造成的半峰宽的背景变化。也就是说纳米片的半峰宽基本已不受纳米片的量子效应的影响。对比目前应用范围最广的硒化镉cdse纳米粒子，最好的绿色量子点半峰宽为18-20nm，几乎是纳米片的两倍。纳米材料的半峰宽直接决定荧光的纯度，并最终影响最后色彩的色域的大小。半峰宽越窄，色域的面积越大，显示的色彩就越鲜艳，视觉效果越好，这也是纳米材料作为下一代显示材料的最大的优势。所以纳米片的制备进一步激发了人们对纳米材料作为显示材料的兴趣，越来越多的人开始挖掘纳米片材料的潜能以期能最终应用到显示技术领域。

目前，阻碍纳米片进一步应用最大的障碍为壳层生长的困难。纳米粒子由于各向同性的特点，壳层通过层层包覆的方式达到对量子点核的全方位保护，通过调节壳层的厚度以及壳层不同深度的化学组分可以很好的达到优化晶体生长、避免缺陷产生以及渐进式调节壳层能级结构的目的。而纳米片与纳米粒子不同，前者属于各向异性结构，具体来说纳米片的表面有着明确的晶格表面，并且不同表面的化学活性相差非常大，以至于壳层的生长出现明显的各向异性的特征。具体来说，纳米片矩形的长和宽形成的上下两面，也就是面积最大的两个面的化学活性最低，基本上和壳层的前驱物不发生任何反应。相反，其他涉及厚度的四个侧面的化学活性很高，壳层的前驱物优先在这四个面上反应，从而容易形成核冠结构，也就是纳米片侧面的四个面起到了包覆作用，而上下两个面积最大的面基本没有任何包覆。这样的壳层生长由于纳米片的上下两个面不能得到有效的壳层保护，使得它的稳定性受到很大影响，具体来说由于没有壳层的保护，纳米片上下两个面完全暴露在外部环境的条件下很容易被水氧侵蚀，生成表面缺陷，导致纳米片出现大量非辐射弛豫的路径，最终导致量子效率大大降低，严重影响纳米片的使用寿命，同时纳米片做成电致发光器件中的功能膜后，由于纳米片之间的距离较近，在得不到能级较高的壳层的有效保护的前提下，纳米片之间会出现严重的能量转移，从而大大减弱了量子效率，严重影响电致发光的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纳米材料的制备方法，旨在解决现有纳米片表面无法有效生长完整包覆层的技术问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

提供纳米片非极性溶液和阴离子前驱体极性溶液；

将所述纳米片非极性溶液和阴离子前驱体极性溶液进行第一混合处理，得到表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液；

将所述表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液与阳离子前驱体非极性溶液进行第二混合处理，在纳米片表面生长壳层；

其中，所述壳层由阴离子前驱体中的阴离子和阳离子前驱体中的阳离子组成。

本发明提供的纳米材料的制备方法是一种溶液原子分层沉淀法，该制备方法中先将纳米片非极性溶液和阴离子前驱体极性溶液进行第一混合处理，因极性溶液和非极性溶液互不相溶，因此形成的混合液有明显的分层，而混合处理过程中阴离子前驱体中的阴离子作为配体比纳米片表面的初始配体更强，所以能够成功的把纳米片转移到下层极性溶液中，此时的纳米片被阴离子配体包覆，因此带有负电荷，阴离子前驱体中的阳离子作为游离的正电荷起到中和溶液电荷的作用，从而使纳米片能够分散在极性溶剂中，形成表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液；然后将该表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液与阳离子前驱体非极性溶液进行第二混合处理，混合过程中阳离子前驱体中阳离子与纳米片表面均匀包覆的阴离子相结合，在纳米片表面进行壳层生长，从而形成无区别包覆的壳层；该制备方法有效避免因化学动力学差异造成的纳米片壳层的选择性生长的问题，该制备方法条件温和、操作过程简便且易重复，特别适用于对温度敏感的纳米材料，而且具有良好的可控性，可以精确控制合成壳层的厚度以及灵活调整每层的化学组分，实现壳层各向同性地生长，使纳米片得到了有效的保护，大大提高了它的光学性能和电致发光器件中的电学性能，具有广泛的应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的纳米材料的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种纳米材料的制备方法，如图1所示，该制备方法包括如下步骤：

s01：提供纳米片非极性溶液和阴离子前驱体极性溶液；

s02：将所述纳米片非极性溶液和阴离子前驱体极性溶液进行第一混合处理，得到表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液；

s03：将所述表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液与阳离子前驱体非极性溶液进行第二混合处理，在纳米片表面生长壳层；

其中，所述壳层由阴离子前驱体中的阴离子和阳离子前驱体中的阳离子组成。

本发明实施例提供的纳米材料的制备方法是一种溶液原子分层沉淀法，该制备方法中先将纳米片非极性溶液和阴离子前驱体极性溶液进行第一混合处理，因极性溶液和非极性溶液互不相溶，因此形成的混合液有明显的分层，而混合处理过程中阴离子前驱体中的阴离子作为配体比纳米片表面的初始配体更强，所以能够成功的把纳米片转移到下层极性溶液中，此时的纳米片被阴离子配体包覆，因此带有负电荷，阴离子前驱体中的阳离子作为游离的正电荷起到中和溶液电荷的作用，从而使纳米片能够分散在极性溶剂中，形成表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液；然后将该表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液与阳离子前驱体非极性溶液进行第二混合处理，混合过程中阳离子前驱体中阳离子与纳米片表面均匀包覆的阴离子相结合，在纳米片表面进行壳层生长，从而形成无区别包覆的壳层，该纳米片和包覆在纳米片表面的壳层即组成了本发明实施例制备的纳米材料，最终的纳米材料又重新转移到上层非极性相；该制备方法有效避免因化学动力学差异造成的纳米片壳层的选择性生长的问题，该制备方法条件温和、操作过程简便且易重复，特别适用于对温度敏感的纳米材料，而且具有良好的可控性，可以精确控制合成壳层的厚度以及灵活调整每层的化学组分，实现壳层各向同性地生长，使纳米片得到了有效的保护，大大提高了它的光学性能和电致发光器件中的电学性能，具有广泛的应用。

由于纳米片各个表面的化学活性的巨大差异，壳层生长在化学反应动力学的影响下，倾向于在四个面积较小的面上反应，从而导致上下表面失活，本发明实施例的制备方法通过化学动力学的调节，成功的在各表面实现了各向同性的壳层生长。在本发明一实施例中，合成了硫化镉和硫化锌壳层包覆的硒化镉纳米片，最终得到地纳米材料量子效率达到了70％以上，并且在电致发光器件中得到了成功的应用，该纳米片在膜中的稳定性得到了大大的提高。

本发明实施例中，纳米片非极性溶液即为纳米片分散在非极性溶剂中形成的溶液，可以是常规溶液合成法制备纳米片形成的纳米片非极性溶液，一般溶液合成法制备的纳米片表面均匀包覆有初始配体，如长链碳水化物配体。这样当该纳米片非极性溶液与阴离子前驱体极性溶液混合时，阴离子前驱体中的阴离子与纳米片表面的初始配体进行配体交换，因初始配体均匀包覆，这样配体置换后的纳米片表面也均匀包覆阴离子前驱体中的阴离子，溶有纳米片的非极性溶剂一般由于密度较低，分布在上层，而阴离子前驱体极性溶液分布在下层，混合处理后，纳米片结合阴离子成功的转移到下层的极性溶液里，并形成良好的溶液。本发明实施例中，阴离子前驱体极性溶液即为阴离子前驱体分散在极性溶剂中形成的溶液，阳离子前驱体非极性溶液即为阳离子前驱体分散在非极性溶剂中形成的溶液。具体地，所述纳米片非极性溶液中的溶剂为非极性溶剂，选自苯、甲苯、戊烷、己烷、庚烷和辛烷中的至少一种；所述阴离子前驱体极性溶液中的溶剂为极性溶剂，选自肼、甲酰胺、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的至少一种；所述阳离子前驱体非极性溶液中的溶剂为非极性溶剂，选自苯、甲苯、戊烷、己烷、庚烷和辛烷中的至少一种。

本发明实施例中，纳米片非极性溶液中的纳米片即为无机半导体纳米片，具体选自ii-vi族化合物、iii-v族化合物和iv-vi族化合物中的至少一种。如ii-vi族的cds、znse、zns、cdte、znte，以及它们的多元化组分如cdzns、cdznse、cdznte、znses、znsete、zntes、cdses、cdsete、cdtes、cdznses、cdznsete、cdznste、cdseste、znseste或cdznseste，或iii-v族的inp、gap、inas、inasp或ingap；或iv-vi族的pbs、pbse、pbte、pbses、pbsete或pbste。而纳米片表面生长的壳层的组分也可以选自ii-vi族化合物、iii-v族化合物和iv-vi族化合物中的至少一种，如ii-vi族的cdse、znse、zns、cdte、znte、cdzns、cdznse、cdznte、znses、znsete、zntes、cdses、cdsete、cdtes、cdznses、cdznsete、cdznste、cdseste、znseste或cdznseste；或iii-v族的inp、gap、inas、inasp或ingap；或iv-vi族的pbs、pbse、pbte、pbses、pbsete或pbste；或者以上任意一种或多种的组合。在一实施例中，所述阳离子前驱体极性溶液中的阳离子前驱体为ii族阳离子前驱体，所述阴离子前驱体极性溶液中的阴离子前驱体为vi族阴离子前驱体，生长的壳层即为ii-vi族化合物；在一实施例中，所述阳离子前驱体极性溶液中的阳离子前驱体为iv族阳离子前驱体，所述阴离子前驱体极性溶液中的阴离子前驱体为vi族阴离子前驱体，生长的壳层即为iv-vii族化合物；在一实施例中，所述阳离子前驱体极性溶液中的阳离子前驱体为iii族阳离子前驱体，所述阴离子前驱体极性溶液中的阴离子前驱体为v族阴离子前驱体，生长的壳层即为iii-v族化合物。

在一实施例中，上述步骤s02中，所述第一混合处理包括混合搅拌5-50min；具体地，所述纳米片非极性溶液中纳米片的浓度为1-10mg/ml；所述阴离子前驱体极性溶液中阴离子前驱体的浓度为1-10mg/ml；将所述纳米片非极性溶液和阴离子前驱体极性溶液进行第一混合处理的步骤中，纳米片与阴离子前驱体的质量比为(1-10):(1-10)。

在一实施例中，上述步骤s03中，所述第二混合处理包括混合搅拌5-50min。具体地，所述阳离子前驱体非极性溶液中阳离子前驱体的浓度为1-10mg/ml。将所述表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液与阳离子前驱体非极性溶液进行第二混合处理的步骤中，纳米片与阳离子前驱体的质量比为(1-10):(1-10)。

更进一步，为了进一步同提高制备的纳米材料的纯度，在将所述表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液与阳离子前驱体非极性溶液进行第二混合处理的步骤之前，先将所述表面结合有阴离子的纳米片的极性溶液中加入沉淀剂进行沉淀处理，钝化所述表面结合有阴离子的纳米片，然后将沉淀物重新溶解在极性溶剂中。通过用沉淀剂和极性溶剂进行沉淀清洗可以更好地除掉游离的配体。

更进一步地，为了在纳米片表面包覆更多层的壳层。在纳米片表面生长壳层之后，还包括多次如下步骤：将表面生长有壳层的纳米片依次与阴离子前驱体极性溶液和阳离子前驱体极性溶液进行混合处理。具体实施例中，所述多次可以为1-20次。同时，通过调节阴离子前驱体和阳离子的种类，壳层可以灵活调节组分，达到调节壳层能级的目的。

本发明实施例中，上述各步骤的操作环境可以为氮气气氛、氩气气氛或真空。

具体一实施例中，一种在纳米片表面各向同性生长壳层的方法，如下：

(1)通过现有文献的方法合成纳米片的核，以绿色(荧光位置为512nm)cdse纳米片的合成方法为例：将0.3mmol氧化镉、0.72mmol十四烷酸和25mlode置于三口烧瓶中，在80℃，真空环境下真空处理30min。将体系气氛切换成氮气气氛，然后待降温至室温时，将0.5mmolse粉加入到反应体系中。升温至200℃，将1.5mmol二水合醋酸锌加入到反应体系，并该温度下反应10min。待冷却至100℃时，向反应体系中加入1ml油酸。最后冷却至室温，通过良性溶剂溶解和沉淀剂沉淀的方法清洗纳米片，并溶解到有机溶剂例如己烷溶液里。

(2)纳米片的己烷溶液先稀释到较低浓度：1-10mg/ml为宜。然后加入同等体积的溶有硫化钠的甲酰胺溶液，硫化钠的浓度在1-10mg/ml之间。由于己烷和甲酰胺不互溶，混合液形成明显的分层，溶有量子点的己烷由于密度较低，分布在上层，而溶有硫化钠的甲酰胺在下层。混合液搅拌5-50分钟之后，纳米片成功的转移到下层的甲酰胺溶液里，并形成良好的溶液。其中，混合液搅拌20-50分钟之后，纳米片转移到下层的甲酰胺溶液里，并能均匀分散在甲酰胺溶液中。硫化钠作为配体，比纳米片的长链碳水化物配体更强，所以能够成功的把纳米片转移到下层溶液中。此时的纳米片被硫离子配体包覆，因此带有负电荷，钠离子作为游离的正电荷起到中和溶液电荷的作用。这也是纳米片能够分散在极性溶剂的原因。纳米片的甲酰胺溶液通过良性溶剂(甲酰胺)和沉淀剂(乙腈)的方法清洗，除掉游离的配体。得到表面结合有硫离子的纳米片的甲酰胺溶液。

(3)向纯化后的表面结合有硫离子的纳米片的甲酰胺溶液中加入己烷的油胺和醋酸镉溶液，油胺的浓度为0.1-1mmol/ml，醋酸镉的浓度为1-10mg/ml。同样，混合液出现分层。搅拌5-50分钟之后，纳米片成功的转移到上层己烷相。其中，混合液搅拌20-50分钟之后，结合有硫离子的纳米片转移到上层的己烷溶液里，并能均匀分散在己烷溶液中。在这个过程中，带负电的纳米片的硫离子成功与溶液中的镉离子配位，因此纳米片的表面长成了一层的硫化镉cds壳层。由于硫离子作为配体对纳米片的各表面形成了无区别包覆，因此形成的硫化镉层也是各向同性的无区别包覆。

(4)通过步骤(2)和(3)成功的各向同性的包覆了一层壳层结构，重复步骤(2)和(3)可以继续包覆更多层的壳层。同时，通过调节阴离子配体和阳离子的种类，壳层可以灵活调节组分，达到调节壳层能级的目的。

本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。

实施例1

cdse/cds核壳结构的合成：

1.cdse纳米片的合成

将0.3mmol氧化镉、0.72mmol十四烷酸和25mlode置于三口烧瓶中，在80℃，真空环境下真空处理30min。将体系气氛切换成氮气气氛，然后待降温至室温时，将0.5mmolse粉加入到反应体系中。升温至200℃，将1.5mmol二水合醋酸锌加入到反应体系，并该温度下反应10min。待冷却至100℃时，向反应体系中加入1ml油酸。最后冷却至室温以备后续分离。通过良性溶剂溶解和沉淀剂沉淀的方法清洗纳米片，并溶解到有机溶剂己烷溶液里。

2.往纳米片的己烷溶液10.0ml(浓度：1mg/ml)中加入同等体积的硫化钠(na2s)的甲酰胺溶液(浓度为1mg/ml)。混合液在室温下搅拌5分钟之后，纳米片成功的转移到下层的甲酰胺溶液里，并形成良好的溶液。纳米片的甲酰胺溶液通过良性溶剂(甲酰胺)和沉淀剂(乙腈)的方法清洗，除掉游离的配体，得到纳米片的甲酰胺溶液。

3.向纯化后的纳米片的甲酰胺溶液10.0ml(浓度为1.0mg/ml)加入己烷的油胺和醋酸镉(cd(ac)2)溶液10.0ml，油胺的浓度为0.1mmol/ml，醋酸镉的浓度为1mg/ml。在室温下搅拌5分钟之后，纳米片成功的转移到上层己烷相。

4.通过步骤(2)和(3)成功的各向同性的包覆了一层壳层结构，重复步骤(2)和(3)可以继续包覆更多层的壳层。

实施例2

cdse/zns核壳结构的合成：

1.cdse纳米片的合成

2.往纳米片的己烷溶液10.0ml(浓度：1mg/ml)中加入同等体积的硫化钠(na2s)的甲酰胺溶液(浓度为1mg/ml)。混合液在室温下搅拌20分钟之后，纳米片成功的转移到下层的甲酰胺溶液里，并形成良好的溶液。纳米片的甲酰胺溶液通过良性溶剂(甲酰胺)和沉淀剂(乙腈)的方法清洗，除掉游离的配体。得到纳米片的甲酰胺溶液。

3.向纯化后的纳米片的甲酰胺溶液10.0ml(浓度为1.0mg/ml)加入己烷的油胺和醋酸锌(zn(ac)2)溶液10.0ml，油胺的浓度为0.1mmol/ml，醋酸锌的浓度为1mg/ml。在室温下搅拌20分钟之后，纳米片成功的转移到上层己烷相。

4.通过步骤(2)和(3)成功的各向同性的包覆了一层壳层结构，重复步骤(2)和(3)可以继续包覆更多层的壳层。

实施例3

cdse/znse核壳结构的合成：

1.cdse纳米片的合成

2.往纳米片的己烷溶液10.0ml(浓度：1mg/ml)中加入同等体积的硒化钠(na2se)的甲酰胺溶液(浓度为1mg/ml)。混合液在室温下搅拌30分钟之后，纳米片成功的转移到下层的甲酰胺溶液里，并形成良好的溶液。纳米片的甲酰胺溶液通过良性溶剂(甲酰胺)和沉淀剂(乙腈)的方法清洗，除掉游离的配体。得到纳米片的甲酰胺溶液。

3向纯化后的纳米片的甲酰胺溶液10.0ml(浓度为1.0mg/ml)加入己烷的油胺和醋酸锌(zn(ac)2)溶液10.0ml，油胺的浓度为0.1mmol/ml，醋酸锌的浓度为1mg/ml。在室温下搅拌30分钟之后，纳米片成功的转移到上层己烷相。

4通过步骤(2)和(3)成功的各向同性的包覆了一层壳层结构，重复步骤(2)和(3)可以继续包覆更多层的壳层。

实施例4

cdse/znte核壳结构的合成：

1.cdse纳米片的合成

2.往纳米片的己烷溶液10.0ml(浓度：1mg/ml)中加入同等体积的碲化钠(na2te)的甲酰胺溶液(浓度为1mg/ml)。混合液在室温下搅拌50分钟之后，纳米片成功的转移到下层的甲酰胺溶液里，并形成良好的溶液。纳米片的甲酰胺溶液通过良性溶剂(甲酰胺)和沉淀剂(乙腈)的方法清洗，除掉游离的配体。得到纳米片的甲酰胺溶液。

3.向纯化后的纳米片的甲酰胺溶液10.0ml(浓度为1.0mg/ml)加入己烷的油胺和醋酸锌(zn(ac)2)溶液10.0ml，油胺的浓度为0.1mmol/ml，醋酸锌的浓度为1mg/ml。在室温下搅拌50分钟之后，纳米片成功的转移到上层己烷相。

4.通过步骤(2)和(3)成功的各向同性的包覆了一层壳层结构，重复步骤(2)和(3)可以继续包覆更多层的壳层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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