量子点（QDs）由于其迷人的光学和电子特性，在过去几十年一直是研究的热点。在众多应用中，基于量子点的白色发光二极管（LEDs）由于其优异的光学性能以及良好的热稳定性和化学稳定性而受到广泛的关注。传统的发白光无机量子点的制备方法主要依赖于将三原色（红、黄、蓝）发光量子点封装在固体矩阵中，这一方法面临着量子点易团聚发生荧光猝灭、合成控制复杂难以量产等重大挑战。

近日，来自华东理工大学化学与分子工程学院的邢明阳（Mingyang Xing）教授与美国加州大学河滨分校殷亚东（Yadong Yin）教授合作，在纯水相合成白光量子点领域取得新进展，相关成果“Confined Growth of Quantum Dots in Silica Spheres by Ion Exchange of "Trapped NH₄⁺" for White-Light Emission”发表于Chem杂志上（DOI: 10.1016/j.chempr.2019.06.010）。

该研究团队开发了一种直接在SiO₂小球体相内生长量子点的液相合成新方法——“trapped NH₄⁺”离子交换法（图A）。他们利用SiO₂小球内的“trapped NH₄⁺”易与Zn²⁺、Cd²⁺等金属阳离子发生离子交换反应的特性，成功将金属阳离子引入SiO₂小球体相，再通过室温硫化直接生成金属硫化合物。通过巧妙的酸洗与醇洗过程（酸的浓度需要调控），可选择性地将SiO₂小球表面覆盖的“bulk”硫化物洗掉，最后通过高温煅烧实现SiO₂小球体相量子点的晶化。值得注意的是，整个量子点的合成过程是在纯水体系中完成，不需要任何油相试剂，也不需要加入任何有机封端剂（capping agent）。

图1. “trapped NH₄⁺”离子交换法合成ZnS@SiO₂。图片来源：Chem

在煅烧过程中，利用SiO₂小球体相孔道的“限域效应”，有效抑制了量子点晶化过程中团聚现象的发生。与此同时，不同尺寸孔道的“限域效应”可以很好地控制量子点的尺寸分布，使制得的量子点在紫外光照射下直接发射白光。传统通过三原色量子点的组合构筑白光LEDs的方法重现性较差，且量子点发射波长的半峰宽难以控制。而“trapped NH₄⁺”离子交换法合成量子点的策略，可通过调节煅烧温度，控制SiO₂小球的孔道尺寸分布，从而实现对ZnS@SiO2量子点荧光发射光谱半峰宽的调控（半峰宽可从109.6调节到203.8 nm，图2）。

图2. 通过煅烧温度调控ZnS@SiO₂量子点的荧光发射光谱半峰宽。图片来源：Chem

这一合成策略另一个优点是量子点的制备可实现量产。以合成ZnS@SiO₂量子点为例，将已经量产的SiO₂小球与锌盐在纯水溶液中进行离子交换，再在常温常压下加入适量硫化钠进行硫化，然后将经过酸洗和醇洗后的SiO₂小球在600 ℃下煅烧10小时，便可得到量产的直接发射白光的ZnS@SiO₂小球（图3A）。制得的白光量子点的荧光量子产量可以达到31.1%，量产后的白光量子点可用于构筑白光LEDs，其白光CIE坐标为：(0.312,0.318)，CRI值为92.5（图3B/C）。

图3. QDs@SiO₂的量产及构筑白光LEDs。图片来源：Chem

综上，作者开发的白光量子点合成策略有效避免了传统合成方法所需的复杂的封装过程，为新型功能纳米复合材料的合成提供了一个新的通用平台，可以方便地将各种纳米颗粒结合到溶胶-凝胶衍生的胶体基质中。

 （摘自X-MOL）