鄭州大學等Adv. Sci. 雙光子熒光白光MXene量子點

【引言】

近年來，石墨烯材料取得的巨大的成功引發了人們對于探索新的二維（2D）層狀無機材料的極大的熱情，人們相繼發現了如六方氮化硼（BN）、過渡金屬硫化物（TMDCs）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）、鍺烯和硅烯等新材料以滿足新的應用需求。其中，二維過渡金屬碳化物和氮化物（MXenes）自從在2011年Ti₃C₂T_x MXene被發現之后影響力迅速擴大。MXenes材料表面富含羥基、氧或氟等官能團，靈活的表面基團調控和層狀結構賦予該材料很好的表面親水性，結構合成的可能性和應用的多樣性，因此在儲能、電磁干擾屏蔽、復合材料增強、水凈化、氣體和生物傳感器、潤滑、光、電化學催化等領域表現出潛在的應用價值。

對于納米材料，當他們的橫向尺寸小于100 nm的時候，會表現出量子限域效應，這種材料被稱為量子點。將二維材料分解或碎片化處理，可以成功制備量子點。由于其獨特的限域效應，量子點已被應用于光致發光、光催化、傳感器以及能源轉換中。近年來的報道表明，MXene量子點可以被用于光致發光，主要集中在藍色熒光。目前，對于光致發光的MXene量子點，缺乏有效的合成方法和發光機制的研究，不同波長或者白光發射的MXene量子點的研究還很少，這些因素極大地限制了MXene量子點的開發與應用。因此，對于二維材料光致發光量子點的研究目前仍然是科研人員亟待解決的問題。

【成果介紹】

近日，鄭州大學的盧思宇副教授（第一作者、通訊作者）課題組與吉林大學鄒勃教授團隊肖冠軍副教授（共同通訊作者）、河南理工劉寶忠教授（共同通訊作者）課題組合作報道了一種簡便、高產的制備發光Ti₃C₂ MXene量子點的方法。制備得到的兩個原子層厚度的Ti₃C₂ MXene量子點表現出強烈的雙光子白色熒光。在高壓條件下，反應壓力使得熒光發射從冷白色變為暖白色，并表現出優異的穩定性。將Ti₃C₂ MXene量子點與聚二甲基硅氧烷材料復合可應用于白色發光二極管中。研究成果以題為“White Photoluminescent Ti₃C₂ MXene Quantum Dots with Two-Photon Fluorescenc” 發表在國際著名期刊Advanced Science上。

【圖文導讀】

圖1. Ti₃C₂ MXene量子點的合成過程。

（a）Ti₃C₂的制備與應用示意圖；

（b）塊體Ti₃C₂的SEM圖像；

（c-d）Ti₃C₂納米片的TEM（c）與HRTEM（d）圖像；

（e）與（c）相關聯的SAED圖像；

（f-g）Ti₃C₂ MXene量子點的TEM（c）與HRTEM（d）圖像；

（h）與（f）相關聯的SAED圖像；

（i）Ti₃C₂ MXene量子點的AFM圖像。

圖2. Ti₃C₂ MXene量子點的結構表征。

塊體Ti₃C₂，Ti₃C₂納米片與Ti₃C₂ MXene量子點的FTIR（a），Raman（b），XRD（c）和XPS（d）譜圖。

圖3. Ti₃C₂ MXene量子點發光機理與載流子弛豫動力學研究。

（a）UV-vis吸收，熒光激發和發射光譜（插圖為溶液在紫外光下的熒光照片）；

（b）在800 nm飛秒脈沖激光器激發下的具有不同激發強度的雙光子光譜；

（c）雙光子發射強度與激光激發強度平方之間的關系是一條斜率為1的直線（插圖顯示800 nm激光穿過Ti₃C₂ MXene量子點溶液的照片）；

（d）Ti₃C₂ MXene量子點在指示的延遲時間為0.5 ps至1.5 ns的TA光譜；

（e）在480和600nm處的動力學衰變痕跡。黑色實線是擬合曲線；

（f）具有五個指數衰減函數的全局擬合結果，顯示五個衰減相關的差異光譜（DADS）；

（g）根據擬合的DADS，三個衰變過程對不同波長內的總動態的貢獻百分數；

（h）三種衰變過程對不同激發能量下與表面狀態有關的總動態的貢獻百分數；

（i）三種衰變過程對不同激發能量下與核心狀態相關的總動態的貢獻百分數。

圖4. 不同激發能量下瞬態吸收光譜

瞬態吸收（TA）光譜的二維偽彩色圖。以ΔOD作為Ti₃C₂ MXene量子點的延遲時間和探針波長的函數，泵浦波長為400 nm，激發能量為（a）0.5，（b）1.0，（c）1.5，（d）2.0，（e）2.5，和（f）3.0μJ。

圖5. 外加壓力對Ti₃C₂ MXene量子點的發光影響。

（a）Ti₃C₂ MXene量子點在高壓下的制備和應用的說明；

（b）Ti₃C₂ MXene量子點在壓力增加時的PL光譜；

（c）在選定壓力下Ti₃C₂ MXene量子點的UV-vis光譜；

（d）具有純白色發射的白光LED的工作照片和發射光譜；

（e）白光LED的色坐標（0.30，0.34）。

結論

作者開發了一種簡單的、高產的制備雙光子熒光的白光發射Ti₃C₂ MXene量子點的方法。其發光光譜半峰寬達到220 nm，光致發光量子產率達到了9.36%，覆蓋了所有可見區域。同時，作者檢測了Ti₃C₂ MXene量子點中熒光的壓致變色效應，揭示了在高壓下的白光發射依舊非常穩定，并且壓力可以使得發光顏色從冷白色變為暖白色。此外，作者展示了基于Ti₃C₂ MXene量子點的白光LED，該工作為Ti₃C₂ MXene量子點的雙光子熒光發光的研究應用提供了一個潛在的方向。

感謝盧思宇副教授對本文的寫作指導與修改。

文獻鏈接：White Photoluminescent Ti3C2 MXene Quantum Dots with Two-Photon Fluorescenc（https://doi.org/10.1002/advs.201801470）

盧思宇副教授介紹：

畢業于吉林大學化學學院超分子結構與材料國家重點實驗室，2016.7到鄭州大學化學與分子工程學院工作至今，已在Adv. Mater. (2), Angew. Chem. Int. Edit (2), Adv. Sci. (2), Nat. Commun., J. Mater. Chem. A. ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale等期刊共發表文章31篇，其中第一作者和通訊文章21篇（IF>20, 2篇；IF>10，6篇；IF>6, 14篇）；論文他引用456次；7篇論文入選ESI高被引論文；國際、國內大會特邀報告3次，口頭報告4次。歡迎大家報考或調劑鄭州大學研究生！

本文由材料人納米小組【大嘴巴荼荼】編輯，材料人整理。

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