福建师大 CEJ：CsPbBr3与商用聚合物的无溶剂共混 - 界面可视化、带隙工程和3D打印稳定性的提高

2024-01-31 来源：高分子科技

金属卤化物钙钛矿(MHPs)因其优异的光电性能而受到广泛关注，但其在开放环境中的不稳定性也成为限制其应用的固有难题。引入聚合物稳定MHPs一直是MHPs光电器件领域的一个研究热点。一方面聚合物可以钝化MHPs表面缺陷，使MHPs与水和氧气隔绝；另一方面，聚合物具有良好的力学性能，这使得MHPs/聚合物复合材料具有良好的柔韧性、延展性、回弹性和加工性。

图1. CsPbBr₃@polymer复合材料制备流程。

传统的金属卤化物钙钛矿(MHPs)聚合物复合材料通常在有机溶剂中制备，而溶剂的使用往往伴随着环境风险和复杂的后处理步骤。近期，福建师范大学杜克钊团队联合陈庆华/钱庆荣团队在钙钛矿聚合物荧光材料的研究中取得了重要进展。在该工作中，他们采用无溶剂双螺杆挤出技术，通过添加油胺作为CsPbBr₃和聚合物之间的相容剂，成功制备了CsPbBr₃@聚合物荧光材料，并将其推广到多种商用聚合物（PLA、PP、PE和PBAT）中(图1)。这种方法不仅环保，适用性广，也有效地提高了MHPs的稳定性：CsPbBr₃@PE₅/PLA₅在水中浸泡80天后依旧保持了稳定的绿光发射，同时其蓝光稳定性以及高温高湿条件下的稳定性也得到了显著的增强(图2)；并且其优越的加工性能和材料的可定制性为MHPs/聚合物复合材料在3D打印领域的应用提供了可能性。

图2 CsPbBr₃@PE₅/PLA₅复合材料的荧光表征以及稳定性测试

图3 含不同比例PE和PLA CsPbBr₃@PE/PLA复合材料的PL光谱、DSC曲线、截面SEM图像和荧光图像

并且，该工作首次将卤化物钙钛矿引入到双相聚合物体系中并且分析MHPs分布对材料荧光性能的影响。利用润湿系数计算结合透射电镜(TEM)以及扫描电镜(SEM)等表征技术分析CsPbBr₃主要分布在复合材料的界面处；得益于CsPbBr₃的荧光特性和界面处的分布，在荧光显微镜下可以方便地观察到PE/PLA界面的形态（图3）。CsPbBr₃的界面定位不仅提供了一种新的材料界面可视化技术，并且能够促进CsPbBr₃@PE₅/PLA₅的阴离子交换从而实现快速能带调控(图4)。最后，通过单螺杆挤出机对CsPbBr₃@PE₅/PLA₅复合材料进行挤出牵引并得到平均直径1.75 mm的3D打印线材。所获得的3D打印线材在高温 (175℃) 熔体加工后仍保持稳定的绿色发射，并可进一步通过FDM打印机直接打印出不同形状的荧光产品 (图4)，拓宽了其在各个领域的应用前景。该工作以“Solvent-free blending of CsPbBr3 and commercial polymer: Interface-visualization, bandgap engineering and improved stability in 3D printing”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（Chem. Eng. J, 2024: 148965.）。文章第一作者是福建师范大学化学与材料学院2021级博士生刘祯，福建师范大学杜克钊教授、孙晓丽副教授和周为明博士为本文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金(No . 22373014)、福建省自然科学基金(No . 2022J06019)、福建师范大学青年教师孵化基金(SDPY 2023015)的支持。

图4 CsPbBr₃@PE₅/PLA₅复合材料的能带调控及3D打印

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148965

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（责任编辑：xu）

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