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南工陈苏团队《CEJ》:微流控连续制备碳量子点及其微流控纺丝高强度纳米纤维

来源:安博体育手机版    发布时间:2024-01-03 21:36:36

  聚合物纳米纤维在柔性穿戴、电子器件、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。由于其纳米尺寸下,纳米纤维的强度相比来说较低,极大地限制了它的制备与应用。碳量子点(2-5 nm)由于其独特的物理化学性质,除具有量子效应的荧光性质外,还在增强聚合物纤维上展现出独特的优越性。但目前宏量制备碳量子点的方法一般会用间歇式操作,如何通过连续批量生产得到大量的高量子产率碳量子点仍是一个挑战。尤其是探索低成本、高效便捷的方法来实现碳量子点的连续制备以及高强度纳米纤维的制备是目前极具挑战的课题。

  针对以上问题,南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授团队,创新性地探索出一种利用微流控芯片反应平台实现高量子产率宏量碳量子点连续化制备的方法,并利用微流体静电纺丝技术将制备得到的碳量子点负载在纳米纤维上,实现了高机械强度的富集荧光碳量子点聚合物纳米纤维的宏量制备。首先,针对已有报道中的微流控芯片反应平台存在的导热性差、不耐热、不耐溶剂、工艺流程复杂等问题,首次提出了使用铝基微流控芯片反应平台(铝基微流控芯片由南京贝耳时代科技有限公司研制并提供)实现碳量子点的连续制备。通过在铝基微流控芯片中的过程强化,同时调控各种参数,最终得到量子产率高达70.98%,半峰宽为65 nm的碳量子点,将多个芯片并联后有望实现碳量子点的宏量制备。该碳量子点具备优秀能力的光学性能与稳定性,并且利用微流控纺丝技术能实现富集荧光碳量子点聚合物纳米纤维的连续生产。有必要注意一下的是,将碳量子点负载到热塑性聚氨酯(TPU)和尼龙66(PA66)的纳米纤维膜上后,其拉伸强度分别达到了原先的2.9倍和4.1倍。其中,PA66纳米纤维膜的拉伸强度由原来的的3.9MPa提高到了16.1MPa。该研究成果于近日发表在国际重要刊物《Chemical Engineering Journal》上。(Continuous productions of highly fluorescent carbon dots and enriched polymer nanofibers via microfluidic techniques, Chemical Engineering Journal. 2023,。南京工业大学硕士研究生陈益峰为第一作者。南京工业大学陈苏教授与王彩凤教授为共同通讯人。

  该课题得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、国家青年自然基金、江苏省高校优势学科建设工程、材料化学工程国家重点实验室等基金的资助和支持。

  图1.微流控合成碳量子点/聚合物纤维膜示意图。(a) 微流控连续制备碳量子点示意图。(b) 静电微流控连续制备荧光碳量子点/聚合物纤维膜示意图。

  图2.铝基微流控芯片生产设备及产物实物图。(a) 用于铝基微流控芯片合成CDs的装置。(b) 铝基微流控芯片的照片。(c) 芯片出口处CDs在365nm紫外光照射下的照片。(d) 不同停留时间下制备的CDs在日光和365nm紫外光照射下的照片。(e,f) 一批次得到的CDs溶液在日光和紫外光照射下的照片。

  图3. 不同反应条件下CDs的荧光特征。(a, d) 不一样的温度下得到的CDs荧光光谱及其荧光特性。(b, e) 180℃下不同停留时间下得到的CDs荧光光谱及其荧光特性。(c, f) 180℃下不同前驱体比例下得到的CDs荧光光谱及其荧光特性。

  图4. CDs的光学性能。(a) CDs的紫外吸收图。(b) CDs在不同波长激发光下的荧光光谱图。(c) CDs的荧光寿命图。(d) CDs的光稳定性图。

  图7. CDs/聚合物纤维膜的拉伸强度及机理图。(a) 不同CDs含量下CDs/TPU的应力-应变曲线。(b) 不同CDs含量下CDs/PA66的应力-应变曲线。(c) 碳点在聚合物中作用的机理图。

  图8. 静电微流体纺丝机(南京捷纳思新材料有限公司与南京贝尔时代科技有限公司联合研制)

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