本書通過多個具體實例,在化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)工程的交叉領(lǐng)域詳實、深入、系統(tǒng)地介紹了多種量子點材料的微反應(yīng)合成方法、性能及其在能源、生物、環(huán)境、機械等領(lǐng)域的應(yīng)用。本書深入淺出地介紹了微反應(yīng)技術(shù)的背景知識,系統(tǒng)分述了微反應(yīng)技術(shù)在材料合成中的發(fā)展及在工業(yè)應(yīng)用中的新進(jìn)展。此外,本書還分析了材料規(guī)模化生產(chǎn)的前景,為解決工業(yè)裝置中的放大問題,使量子點從實驗室合成走向工業(yè)化制備和生產(chǎn)應(yīng)用提供了指導(dǎo),也為開發(fā)高效、低耗、安全、可控的現(xiàn)代化工技術(shù)提供了有益的啟示。本書在理論分析、工藝實踐上均具有重要的參考價值,對于讀者了解量子點的基本知識以及微反應(yīng)合成技術(shù),納米材料相關(guān)領(lǐng)域科研人員了解科技前沿研究進(jìn)展都大有裨益。
《量子點的微反應(yīng)合成及應(yīng)用》為“十三五”國家重點圖書、當(dāng)代化工學(xué)術(shù)精品叢書· 原創(chuàng)系列圖書,主要介紹了量子點的微反應(yīng)合成及其應(yīng)用,內(nèi)容涵蓋了量子點和微反應(yīng)技術(shù)的概述;CdSe/ZnS及Ⅱ-Ⅵ族復(fù)合結(jié)構(gòu)量子點全連續(xù)微反應(yīng)合成;高效發(fā)光CuInS2和CuInS2/ZnS量子點的合成及工藝連續(xù)化研究;針對量子點的規(guī);a(chǎn)工藝進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析;含鎘量子點在離子檢測的應(yīng)用;量子點在太陽能電池中的應(yīng)用;量子點在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用。本書內(nèi)容主要取材于筆者近年來陸續(xù)發(fā)表在該領(lǐng)域的國內(nèi)外核心期刊上的一系列研究成果。 本書出版的目的是為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者提供學(xué)術(shù)研究的參考,也可以作為材料、化工、機械相關(guān)專業(yè)的研究生的學(xué)習(xí)用書。
量子點又稱半導(dǎo)體納米顆粒,是準(zhǔn)零維納米材料,由少量的原子所構(gòu)成,其三個維度的尺寸都在10 nm 以下,外觀恰似一極小的點狀物。量子點具有熒光波長可調(diào)、激發(fā)波長寬、熒光單色性好、熒光性能穩(wěn)定等優(yōu)異的性能,在太陽能電池、發(fā)光二極管、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。量子點作為納米材料中的重要一員,從20世紀(jì)80年代引起廣大科學(xué)家關(guān)注,成為納米技術(shù)領(lǐng)域理論與應(yīng)用研
究的焦點,正成為引領(lǐng)技術(shù)革新的關(guān)鍵材料。
量子點制備方法可分為物理法和膠體化學(xué)法兩大類,其中物理法包括化學(xué)氣相沉積法和分子束外延法等;化學(xué)法包括有機金屬高溫溶劑熱法、水熱法、微波輻射法、反向微乳液法、電化學(xué)沉淀法等。本書介紹了一種連續(xù)高效的微反應(yīng)合成技術(shù),并對量子點的新應(yīng)用進(jìn)行了專門介紹。本書出版的目的是為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者提供學(xué)術(shù)研究的參考,本書也可以作為材料、化工、機械相關(guān)專業(yè)的研究生的學(xué)習(xí)用書。本書內(nèi)容主要取材于筆者近年來的一系列研究結(jié)果,陸續(xù)發(fā)表在該領(lǐng)域的國內(nèi)外核心期刊上。
本書介紹了量子點的微反應(yīng)合成及其應(yīng)用,內(nèi)容涵蓋了量子點和微反應(yīng)技術(shù)的概述,CdSe/ZnS及Ⅱ-Ⅵ族復(fù)合結(jié)構(gòu)量子點全連續(xù)微反應(yīng)合成,高效發(fā)光CuInS2和CuInS2/ZnS量子點的合成及工藝連續(xù)化研究,針對量子點的規(guī);a(chǎn)工藝的經(jīng)濟(jì)性分析,含鎘量子點在離子檢測中的應(yīng)用,量子點在太陽能電池中的應(yīng)用,量子點在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用等。每章后面列有參考文獻(xiàn)以供讀者更深入地了解研究細(xì)節(jié)。
本書是在華東理工大學(xué)過程設(shè)備科學(xué)與工程研究室涂善東院士及多位老師、研究生的大力協(xié)助下完成的。書中涉及的內(nèi)容多為筆者十幾年來培養(yǎng)的研究生完成的,他們是楊洪偉、萬真、付紅紅、袁斌霞、付敏、趙子銘、尹少峰、張成喜、張少甫、姚子豪、鐘祺欣、殷宇航、陳瑩、蘇偉超、張舒?zhèn)H、魏怡飛、黃藝卉等,對他們的付出表示感謝。
本書內(nèi)容涉及量子點微反應(yīng)合成的相關(guān)工作,近年來,研究組在量子點的應(yīng)用上做了大量工作。因此,在書稿中我們添加了量子點應(yīng)用和前沿進(jìn)展的相關(guān)內(nèi)容。限于水平和時間,本書的錯誤和不當(dāng)之處在所難免,請讀者不吝批評指正。
欒偉玲
2019年12月于華東理工大學(xué)
欒偉玲博士,教授,博士生導(dǎo)師,教育部優(yōu)秀青年教師、上海市曙光學(xué)者、上海市教育系統(tǒng)巾幗建功標(biāo)兵。圍繞微化學(xué)機械系統(tǒng)基礎(chǔ)理論
及應(yīng)用、納米材料合成及能源技術(shù)、智能裝備監(jiān)測開展研究,主持國家自然科學(xué)基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)子課題、教育部科學(xué)技術(shù)研究重點計劃、教育部優(yōu)秀青年教師資助計劃、中德國際合作研究計劃、上海市優(yōu)秀留學(xué)歸國人員科研基金、上汽集團(tuán)科技發(fā)展基金等多項攻關(guān)課題。
第1章 量子點的概述 ………………………………………………………… 1
1.1 量子點的概念…………………………………………………………… 1
1.2 量子點發(fā)光原理………………………………………………………… 3
1.3 量子點的光譜調(diào)控……………………………………………………… 4
1.4 量子點的光學(xué)性能……………………………………………………… 4
1.5 量子點的合成…………………………………………………………… 6
1.5.1 有機金屬高溫溶劑熱法制備量子點研究進(jìn)展……………………… 6
1.5.2 水溶性量子點的制備……………………………………………… 8
1.6 量子點的表征方法……………………………………………………… 9
1.6.1 吸收光譜和熒光光譜……………………………………………… 9
1.6.2 熒光量子產(chǎn)率…………………………………………………… 10
1.6.3。厣渚衍射(XRD) ……………………………………………… 10
1.6.4 X射線能譜(EDS)………………………………………………… 10
1.6.5 電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)…………………………… 11
1.6.6 場發(fā)射透射電鏡(FE-TEM) ……………………………………… 11
1.7 量子點的應(yīng)用………………………………………………………… 11
1.7.1 量子點在發(fā)光二極管中的應(yīng)用…………………………………… 12
1.7.2 量子點在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用………………………………… 14
1.7.3 量子點在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用……………………………………… 16
1.7.4 量子點在離子測定中的應(yīng)用……………………………………… 17
第2章 微反應(yīng)技術(shù)…………………………………………………………… 26
2.1 微反應(yīng)技術(shù)的基本概念……………………………………………… 26
2.2 微反應(yīng)技術(shù)的特點…………………………………………………… 27
2.3 微反應(yīng)系統(tǒng)的制造…………………………………………………… 29
2.3.1 常用材料………………………………………………………… 29
2.3.2 加工技術(shù)………………………………………………………… 30
2.3.3 連接技術(shù)………………………………………………………… 36
2.4 微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用…………………………………………………… 39
2.4.1 微反應(yīng)技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用………………………………… 40
2.4.2 微反應(yīng)技術(shù)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用………………………………… 45
2.4.3 微反應(yīng)技術(shù)在熱動力領(lǐng)域的應(yīng)用……………………………… 47
第3章 CdX(X=Se,S)/ZnS及Ⅱ-Ⅵ族復(fù)合結(jié)構(gòu)量子點全連續(xù)微反應(yīng)合成…… 54
3.1 概述…………………………………………………………………… 54
3.2 CdX(X=Se,S)/ZnS全連續(xù)微反應(yīng)合成………………………… 54
3.2.1 CdSe 前驅(qū)體合成工藝優(yōu)化………………………………………… 54
3.2.2 CdS/ZnS 核殼量子點合成工藝優(yōu)化……………………………… 69
3.3、 Ⅵ族復(fù)合結(jié)構(gòu)量子點全連續(xù)微反應(yīng)合成………………………… 74
3.3.1 綠色到深紅色熒光CdSexS1-x合金結(jié)構(gòu)量子點…………………… 74
3.3.2 近紅外熒光CdSexTe1-x合金量子點……………………………… 82
3.4 微反應(yīng)模塊系統(tǒng)放大合成核殼結(jié)構(gòu)量子點………………………… 94
3.4.1 微模塊介紹……………………………………………………… 94
3.4.2 微模塊反應(yīng)系統(tǒng)的搭建…………………………………………… 98
3.4.3 核殼結(jié)構(gòu)量子點的放大生產(chǎn)……………………………………… 99
第4章 高效發(fā)光CuInS2和CuInS2/ZnS量子點的合成及連續(xù)化工藝研究…… 110
4.1 概述…………………………………………………………………… 110
4.2 低溫合成廣譜發(fā)光核殼CIS/ZnS量子點的研究………………… 111
4.2.1 實驗方法……………………………………………………… 111
4.2.2 ZnS的包裹對CIS吸收特性的影響和CIS/ZnS的晶體結(jié)構(gòu)分析…… 112
4.2.3 CIS核反應(yīng)時間對光學(xué)特性的影響……………………………… 115
4.2.4 ZnS包裹溫度對CIS熒光量子產(chǎn)率的影響……………………… 116
4.2.5 配體修飾對量子點光學(xué)特性和晶體生長的影響…………………… 117
4.3 高效發(fā)光梯度核殼CIS/ZnS量子點的合成工藝研究…………… 121
4.3.1 實驗方法……………………………………………………… 121
4.3.2 CIS/ZnS發(fā)光動力學(xué)研究……………………………………… 121
4.3.3 ZnS殼層包裹時間和核反應(yīng)時間對CIS/ZnS熒光特性的影響…… 123
4.3.4 Zn/Cu原料摩爾比對CIS/ZnS發(fā)光特性的影響………………… 124
4.3.5 殼層包裹溫度對CIS/ZnS發(fā)光特性的影響……………………… 125
4.3.6 CIS/ZnS的化學(xué)穩(wěn)定性………………………………………… 126
4.4 CIS和CIS/ZnS量子點的放大生產(chǎn)……………………………… 126
4.4.1 實驗工藝及方法………………………………………………… 126
4.4.2 主要微反應(yīng)設(shè)備的基本原理及特征……………………………… 128
4.4.3 基于微反應(yīng)器的放大分析……………………………………… 129
第5章 量子點的規(guī)模化生產(chǎn)工藝設(shè)計及經(jīng)濟(jì)性分析 ……………………… 134
5.1 概述…………………………………………………………………… 134
5.1.1 量子點市場分析………………………………………………… 134
5.1.2 總資產(chǎn)投資分析………………………………………………… 135
5.1.3 總生產(chǎn)成本分析………………………………………………… 136
5.2 工業(yè)化微反應(yīng)器大小初步試算……………………………………… 137
5.2.1 工藝說明……………………………………………………… 137
5.2.2 設(shè)計依據(jù)……………………………………………………… 138
5.2.3 工藝部分……………………………………………………… 138
5.2.4 循環(huán)冷卻水水質(zhì)………………………………………………… 140
5.2.5 主要設(shè)備……………………………………………………… 140
5.2.6 微反應(yīng)設(shè)備……………………………………………………… 141
5.3 項目投資與經(jīng)濟(jì)性分析……………………………………………… 142
5.3.1 資本投資估算…………………………………………………… 142
5.3.2 總生產(chǎn)成本估算………………………………………………… 143
第6章 含鎘量子點在離子檢測中的應(yīng)用 …………………………………… 146
6.1 油相合成量子點表面功能化修飾…………………………………… 146
6.2 水溶性量子點………………………………………………………… 149
6.3 CdSe/ZnS量子點對金屬離子的選擇性測試……………………… 153
6.3.1 實驗過程……………………………………………………… 153
6.3.2 不同金屬離子對量子點熒光強度的影響………………………… 153
6.3.3 CdSe/ZnS量子點對Pb2+ 的定量檢測…………………………… 154
6.3.4 Pb2+ 對量子點熒光猝滅機理的探討……………………………… 155
第7章 量子點在太陽能電池中的應(yīng)用……………………………………… 159
7.1 概述…………………………………………………………………… 159
7.1.1 太陽能電池的工作原理………………………………………… 161
7.1.2 納米晶在太陽能電池中的應(yīng)用…………………………………… 161
7.2 量子點聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………… 162
7.2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池的特點…………………………………………… 162
7.2.2 反向結(jié)構(gòu)電池的特點…………………………………………… 163
7.2.3 太陽能電池的結(jié)構(gòu)構(gòu)建與制備…………………………………… 164
7.3 CdSe納米晶聚合物復(fù)合太陽能電池的制備……………………… 165
7.3.1 納米晶聚合物電池中各能級的標(biāo)定……………………………… 166
7.3.2 活性層厚度的優(yōu)化……………………………………………… 170
7.3.3 熱處理工藝的優(yōu)化……………………………………………… 171
7.3.4 CdSe納米晶對光電性能的影響………………………………… 173
7.3.5 電池的穩(wěn)定性…………………………………………………… 176
7.4 FeS2納米晶聚合物復(fù)合太陽能電池的制備……………………… 176
7.4.1 水熱法制備FeS2黃鐵礦納米晶………………………………… 178
7.4.2 燒瓶溶劑熱法制備FeS2黃鐵礦納米晶…………………………… 180
7.4.3 FeS2納米晶聚合物太陽能電池性能……………………………… 182
7.4.4 FeS2納米晶LUMO與HOMO值的測試………………………… 183
7.4.5 FeS2納米晶聚合物太陽能電池的能級結(jié)構(gòu)……………………… 184
7.4.6 電池的穩(wěn)定性…………………………………………………… 186
7.4.7 光強變化對電池性能的影響……………………………………… 189
第8章 量子點在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用…………………………………… 194
8.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概述………………………………………………… 194
8.1.1 背景…………………………………………………………… 194
8.1.2 裂紋檢測方法…………………………………………………… 195
8.1.3 應(yīng)力應(yīng)變檢測方法……………………………………………… 197
8.1.4 量子點受力導(dǎo)致性能變化的研究………………………………… 199
8.2 量子點的微裂紋監(jiān)測………………………………………………… 200
8.2.1 實驗試樣的制備工藝…………………………………………… 200
8.2.2 熒光信號產(chǎn)生及裂紋寬度監(jiān)測范圍……………………………… 202
8.2.3 裂尖形成步驟…………………………………………………… 207
8.2.4 環(huán)氧樹脂膜裂紋與金屬裂紋的同步性考察……………………… 208
8.2.5 原位拉伸下微裂紋實時監(jiān)測……………………………………… 210
8.2.6 量子點環(huán)氧樹脂膜熒光響應(yīng)機理討論…………………………… 212
8.3 量子點的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測……………………………………………… 213
8.3.1 實驗試樣的制備工藝…………………………………………… 213
8.3.2 量子點環(huán)氧樹脂拉伸及壓縮過程中的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)……………… 214
8.3.3 量子點環(huán)氧樹脂監(jiān)測金屬應(yīng)力應(yīng)變……………………………… 218
8.3.4 熒光強度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系機理分析……………………………… 222
8.4 量子點環(huán)氧樹脂的熒光性能影響因素研究……………………… 228
8.4.1 溫度對熒光穩(wěn)定性的影響……………………………………… 228
8.4.2 量子點濃度對熒光穩(wěn)定性的影響………………………………… 229
8.4.3 激發(fā)光強對熒光穩(wěn)定性的影響…………………………………… 229
8.4.4 激發(fā)時長對熒光穩(wěn)定性的影響…………………………………… 230
8.4.5 重復(fù)激發(fā)對熒光穩(wěn)定性的影響…………………………………… 231
8.4.6 量子點熒光性能變化的機理研究………………………………… 232
第9章 微反應(yīng)技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用………………………………… 237
9.1 生命科學(xué)領(lǐng)域………………………………………………………… 237
9.1.1 臨床分析……………………………………………………… 238
9.1.2 免疫分析……………………………………………………… 238
9.1.3 法醫(yī)鑒定……………………………………………………… 239
9.1.4 單細(xì)胞分析……………………………………………………… 240
9.1.5 組織器官芯片………………………………………………… 241
9.2 公共衛(wèi)生領(lǐng)域………………………………………………………… 244
9.3 醫(yī)藥領(lǐng)域……………………………………………………………… 245
9.4 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域……………………………………………………………… 246
9.5 總結(jié)…………………………………………………………………… 247