基于介孔二氧化硅纳米反应器的高稳定性钙钛矿纳米晶全光谱白光LED的合成与应用研究

本文推荐一种创新的模板辅助合成策略，通过介孔二氧化硅（MSN）纳米反应器制备高稳定CsPbX3（X=Cl/Br/I）钙钛矿纳米晶（PNCs）。该方法突破了传统合成在溶剂稳定性和规模化生产上的瓶颈，实现了钇掺杂增强发光性能、卤素调控（Cl?→Br?）及无铅双钙钛矿Cs4Bi2MnCl12的合成，为单芯片全光谱白光LED提供了可商业化解决方案。

　　

Abstract

CsPbX₃（X=Cl/Br/I）钙钛矿纳米晶因其优异的光电性能备受关注，但稳定性差和合成方法难以规模化制约其应用。研究团队开发了一种基于介孔二氧化硅（MSN）纳米反应器的模板辅助合成策略，成功制备出溶剂稳定性显著的CsPbCl₃纳米晶粉末。通过钇掺杂进一步提升光学性能，卤素取代（Cl?→Br?）和无铅双钙钛矿Cs₄Bi₂MnCl₁₂的合成实现了全光谱发射，为单芯片白光LED奠定基础。

1 Introduction

无机铅卤化物钙钛矿纳米晶（PNCs）具有高光致发光量子产率（60–95%）和窄半峰宽，但面临湿度/紫外线稳定性差、铅毒性及规模化生产难题。现有改进策略包括元素掺杂（Sn/Mn）和封装保护（氧化物/聚合物），但介孔模板法合成CsPbCl₃仍具挑战。本研究利用MSN的纳米级有序孔道作为惰性反应环境，高温下孔道坍塌形成保护层，显著提升纳米晶稳定性。

2 Experimental Section

材料与合成：以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板合成MSN，通过真空渗透法将CsCl/PbCl₂前驱体注入MSN孔道，600°C煅烧获得CsPbCl₃-MSN复合材料。钇掺杂通过添加YCl₃实现，卤素调控采用CsBr/PbBr₂替代。无铅Cs₄Bi₂MnCl₁₂通过Bi₂O₃/MnCl₂前驱体合成。

表征技术：X射线衍射（XRD）证实立方相CsPbCl₃结晶（JCPDS No. 04-009-7249），透射电镜（TEM）显示3–5 nm纳米晶均匀分布。比表面积分析（BET）表明MSN孔容从0.59 cm³/g降至0.05 cm³/g，证实PNCs成功填充。

3 Result and Discussion

稳定性突破：CsPbCl₃-MSN在水/乙醇/50% DMF中14天保持85%以上发光强度，而胶体PNCs在10分钟内衰减75%。MSN的物理屏障作用取代了传统OA/OLA表面配体，避免极性溶剂导致的卤素流失。

钇掺杂增效：5% Y³⁺掺杂使CsPbCl₃发光强度提升6倍，XRD峰位偏移证实Y³⁺（离子半径小于Pb²⁺）成功掺入晶格。扫描电镜（SEM）-能谱（EDS）验证元素均匀分布。

全光谱LED应用：通过卤素比例调控（CsPbClBr₂/CsPbCl_1.5Br_1.5）实现407–520 nm发射，结合Cs₄Bi₂MnCl₁₂的红光发射，在370 nm UV芯片上实现CIE色坐标可调的白光LED，亮度达商业化标准。

4 Conclusion

该模板法兼具可扩展性和重复性，解决了钙钛矿纳米晶稳定性与规模化生产的核心难题，为光电器件商业化提供新范式。