堆叠可控的轴向生长的碳量子带和二维薄膜及其制备和应用

本发明涉及碳纳米材料领域，具体涉及堆叠可控的轴向生长的碳量子带和二维薄膜及其制备和应用。

背景技术：

1、经过几十年的发展，太阳能电池(scs)的能量转换效率(pce)从不到0.1％提升到20％，实现了巨大的突跃。然而，对于目前已经报道的活性层材料，包括钙钛矿晶体和有机分子，器件在长期运行中普遍无法保持高的性能，这严重阻碍了其在实际中的应用。因此，迫切需要开发一种高质量的材料来打破这一限制。碳量子点(cqds)由于具有高的光-热稳定性、可调的带隙发光、良好的溶液加工性、低成本和低毒性，已被广泛应用于光电子领域中，如电致发光二极管。值得关注的是，根据shockley-quieisser公式中的能量平衡，一个好的发光二极管也应该是一个高效的sc，其中，高效的外部发光是低内部光学损耗的必要条件。例如，碳点-纳米银的复合物可以作为界面层来提高聚合物scs的器件性能，其中含有纳米银的薄膜的发光强度比不含纳米银的薄膜高约30％。此外，碳点还可以被纳入钙钛矿scs的器件结构中，以提高长期稳定性并降低毒性，这进一步证实了cqds在scs中巨大的发展潜力。

2、在scs中电荷的运动过程分为以下几个阶段，首先，光生激子被分离，通过扩散解离成自由载流子(如空穴和电子)，然后被两侧电极提取收集，最终实现光能转换为电能。但是，cqds单独作为活性层仍然面临一系列问题，主要包括以下几方面。首先，由于纳米材料独特的量子限域效应，量子尺寸的cqds会产生严重的能级分裂，导致其在可见光范围(～400-800nm)内具有较窄的吸收光谱并且能量吸收效率极低。其次，考虑到cqds的有限sp2共轭平面的结构，激子更倾向于局限在单个点上，导致电荷结合紧密，因此难以实现电子和空穴的高效分离。此外，cqds通常具有不规则的原子排列和不受控制的π-π聚集，这导致高度离域的电子云以及无定向的电荷转移。由此可见，突破cqds的量子尺寸限制和无序π聚集是实现电子-空穴有效分离和激子定向传输的关键。

3、一般来说，在由较短的尺寸形状分子组成的传输网络中，电子以跳跃式传输为主，而在由较长形状分子组成的网络中，电子传递易受到带传导的影响，这在基于d-π-a分子设计的有机scs中被重点关注。基于此，在碳核两侧设计强吸电子官能团以及控制碳核的定向生长有利于调节cqds中电子云的排布，进而实现对电荷传递方向的调控。这不仅能控制轨道之间的能级，而且可以有效地解离激子形成空穴和电子。此外，随着电荷扩散到分子界面，π共轭主链的特定结构堆积，如边对或面对，有望实现定向输运电荷，进而提高器件性能。因此制备出一种可溶液加工，电荷传输性能好，电荷分离效率高，吸收范围广的cqds是制备高质量薄膜用于发展高效scs的必经之路，且仍存在较大的挑战。

技术实现思路

1、本发明是为了解决目前报道的cqds吸收范围窄，溶剂性能差，成膜性差，电荷传输能力弱，电子和空穴迁移率不匹配的问题，提出了一种堆叠可控的轴向生长的碳量子带和二维薄膜、制备方法及其应用。

2、本发明的目的是提供一种堆叠可控的轴向生长的碳量子带。

3、本发明的再一目的是提供上述堆叠可控的轴向生长的碳量子带的制备方法。

4、本发明的再一目的是提供上述堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜的制备方法。

5、本发明的再一目的是提供上述堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜的应用。

6、根据本发明的堆叠可控的轴向生长的碳量子带，通过包括以下步骤的方法制备：

7、以5,7,9,10-并五苯四酮为碳源前驱体，超声搅拌使其充分溶于甲酰胺，在反应体系中加入少量的浓硫酸促进前驱体的反应，将上述溶液转移到烧杯和聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压反应釜中，在220℃条件下溶剂热反应6小时，从而得到堆叠可控的轴向生长的碳量子带溶液，进一步获得堆叠可控的轴向生长的碳量子带固体。

8、根据本发明的堆叠可控的轴向生长的碳量子带，其中，用浓硫酸中和至ph＝7，离心去除上清液，加入去离子水进行多次洗涤后，抽滤得到黑色的固体粉末，烘干样品硅胶柱提纯得到堆叠可控的轴向生长的碳量子带的固体粉末。

9、根据本发明的技术方案，选用5,7,9,10-并五苯四酮为碳源前驱体，通过前驱体中5,7,9,10-并五苯四酮的两个反应位点的活性的不同，控制溶剂热反应条件如反应时间，反应温度，加入催化剂等，合成堆叠可控的轴向生长的碳量子带。

10、根据本发明的技术方案，反应溶剂甲酰胺对制备出堆叠可控的轴向生长的碳量子带非常重要。如果反应溶剂换成乙醇，水，乙酸乙酯等其他溶剂，其他反应条件保持一致，均无法得到堆叠可控的轴向生长的碳量子带。

11、根据本发明的技术方案，酸对于反应体系对于调节前驱体的反应，生成堆叠可控的轴向生长的碳量子带起着非常重要的作用。如果没有加入浓硫酸，通过改变其他反应条件如温度，时间等都无法合成出堆叠可控的轴向生长的碳量子带。

12、将堆叠可控的轴向生长的碳量子带的氯苯溶液滴在高定向热解石墨基底的表面，置于10-4pa高真空氛围中，在80℃条件下加热15分钟，样品成膜，将所述样品自然冷却到室温，乙醇冲洗表面，得到堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜。

13、根据本发明的技术方案，将堆叠可控的轴向生长的碳量子带的氯苯溶液滴置高定向热解石墨基底表面，待液体完全铺展，脱脂棉吸去多余液体，以得到堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜。

14、根据本发明的技术方案，高定向热解石墨基底的表面需保持平滑，等离子束轰击去除表面残余杂质，以得到堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜。

15、根据本发明的技术方案，将样品成膜后置于匀胶机上，保持转速为3500转每分钟，旋涂时间30秒条件下用少量乙醇进行快速冲洗，如果没有去除表面残余堆叠可控的轴向生长的碳量子带的样品和溶剂，将无法得到堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜。

16、本发明制备的堆叠可控的轴向生长的碳量子带具有宽的吸收范围以及高的电子迁移率。

17、本发明制备的堆叠可控的轴向生长的碳量子带具有可溶液加工、量子产率高、电荷传输高且匹配等特点。

18、本发明的方法简单，结构新颖，性能优越，适合热堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜的制备。

19、本发明制备的堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜具有长的激子寿命和扩散距离，高且平衡的电子和空穴迁移率。

20、本发明制备的上述堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜在光电器件、生物医学以及传感器等领域具有广泛的应用前景。将其单独作为活性层应用于scs中，相对于以发射强度强、吸收范围窄的cqds参与制备的scs，具有高的器件效率和稳定性等优点，有望作为低成本，环境友好的新型有机活性材料应用于scs领域。

技术特征：

1.堆叠可控的轴向生长的碳量子带，其特征在于，所述堆叠可控的轴向生长的碳量子带通过以下步骤制备：

2.根据权利要求1所述的可溶液加工的堆叠可控的轴向生长的碳量子带，其特征在于，将所述堆叠可控的轴向生长的碳量子带的粗产物溶液中和至ph＝7，离心除去上清液，去离子水洗涤，柱层析提纯得到所述堆叠可控的轴向生长的碳量子带固体粉末。

3.根据权利要求1所述的堆叠可控的轴向生长的碳量子带，其特征在于，所述浓硫酸与碳源前驱体的体积质量比ml/mg为1:10～1:15。

4.根据权利要求1所述的可溶液加工的堆叠可控的轴向生长的碳量子带，其特征在于，所述甲酰胺混合溶剂与碳源前驱体的体积质量比ml/mg为1:1.5～1:2。

5.一种制备堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜的方法，其特征在于，所述堆叠可控的轴向生长的碳量子带的氯苯溶液滴置于10-4pa高真空氛围中，在80℃条件下加热15分钟成膜。

7.一种制备堆叠可控的轴向生长的碳量子带的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

8.权利要求5所述的堆叠可控的轴向生长的碳量子带的二维薄膜用于制备太阳能电池的应用。

技术总结
本发明涉及碳纳米材料领域，具体涉及堆叠可控的轴向生长的碳量子带和二维薄膜及其制备和应用。本发明以5,7,9,10‑并五苯四酮为碳源前驱体，在浓硫酸条件下通过甲酰胺溶剂热法即可得到可溶液加工的堆叠可控的轴向生长的碳量子带和二维薄膜。本发明制备的轴向生长的碳量子带通过弱的相互作用力可以控制分子之间的共轭堆叠模式，进行形成表面致密且导电性良好的二维薄膜，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：范楼珍,石钰鑫
受保护的技术使用者：北京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19