CN110589877A

CN110589877A - 一种铅卤钙钛矿的制备方法

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Publication number: CN110589877A
Application number: CN201910905180.0A
Authority: CN
Inventors: 杨士宽; 余阳春; 侯嘉慧; 孙启升; 张玲惠
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: CN110589877B

Abstract

本发明公开了一种铅卤钙钛矿的制备方法，属于铅卤钙钛矿领域，该方法通过调控配体的组成来调控羟卤铅矿自组装的行为，从而可以得到不同微米级微观形貌的羟卤铅矿结构，然后以此结构为铅源和模板，引入Cs⁺、CH₃NH₃ ⁺或HC(NH₂)₂ ⁺离子，得到不同结构的铅卤钙钛矿材料。该方法经济、简单、可靠，并且制备的铅卤钙钛矿材料三维结构多样、成分可调。

Description

一种铅卤钙钛矿的制备方法

技术领域

本发明属于铅卤钙钛矿领域，具体地涉及一种铅卤钙钛矿的制备方法。

背景技术

近年来，铅基卤化物钙钛矿(APbX₃)因其具有量子效率高、带隙可调、载流子扩散长度长等独特的性质，在太阳能电池、LED、光电探测器等领域得到了广泛关注。随着研究的不断深入，人们发现三维复杂结构的铅卤钙钛矿微纳米材料拥有更为迷人的物理性能，例如，CsPbBr₃纳米立方体相互堆积形成的微米级超晶格结构具有超荧光现象，这一发现为制备多光子纠缠量子光源提供了可能。然而，尽管研究人员提出了例如表面配体限制(软模板)、硬模板直接限制并控制其生长方式等方法，制备形貌可控的三维铅卤钙钛矿微纳米结构依然十分困难。这对深入研究铅卤钙钛矿独特物理性能和新颖应用造成了阻碍。

羟卤铅矿(Pb(OH)X)，一种自然界中较为稀有的铅矿，于1887年在希腊的确首次发现。根据文献报道，铅卤铅矿可以在水溶液体系中利用合适的反应条件制备。然而，因为成分和结构的特点，这种矿物材料的应用有限，没有被广泛关注和研究。但是，因为其化学组成与晶体属性与铅卤钙钛矿相似，羟卤铅矿 (Pb(OH)X)具有作为反应中铅源和卤素源，转化制备相应铅卤钙钛矿的潜力。基于此，本申请提出了一种全新的制备微米级三维复杂结构铅卤钙钛矿的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对制备微米级三维复杂结构铅卤钙钛矿较为困难的问题，提出一种以三维自组装羟卤铅矿为模板，原位转化制备铅卤钙钛矿尤其是微米级三维结构铅卤钙钛矿的方法，并第一次揭露了羟卤铅矿在油相溶液体系下丰富的自组装行为以及影响羟卤铅矿生长的因素，使得三维自组装羟卤铅矿体系 [Pb(OH)X，X＝Cl^-,Br^-,I^-等]可以转化制备不同微观形貌的三维铅卤钙钛矿材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种铅卤钙钛矿的制备方法，包括以下步骤：

(1)室温下将0.30mmolPbX₂粉末溶解于1.5ml N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌至溶液澄清，依次加入0-150μl有机酸和10-1000μl有机胺，搅拌，获得澄清溶液。

(2)取上述澄清溶液1.4ml,加入到20ml甲苯中，搅拌10s-10min后静置 20-30h,得到母液。

(3)将步骤2所得母液离心,离心速率为3000-8000rpm，时间为5min，得到微米级自组装结构的羟卤铅矿Pb(OH)X，X为Cl^-、Br^-或I^-；将Pb(OH)X溶于甲苯中，得到浓度为0.0001-0.1mol/L的Pb(OH)X甲苯溶液。

(4)取1ml浓度为0.000013-0.13mol/L的CsOA的十八烯溶液或取1ml浓度为0.001-0.1mol/L的AX的DMF溶液,滴加到步骤3制备的Pb(OH)X甲苯溶液中，离心，离心速率为3000-8000rpm，离心时间为5min，得到铅卤钙钛矿；所述铅卤钙钛矿的结构通式为APbX₃或Cs₄PbX₆；其中，A选自Cs⁺、CH₃NH₃ ⁺或HC(NH₂)₂ ⁺；X为Cl^-、Br^-或I^-。

还有一种铅卤钙钛矿的制备方法，包括以下步骤：

(4)将步骤3得到的Pb(OH)X甲苯溶液均匀分散到玻璃片表面，然后将所述玻璃片固定在含有CH₃NH₃X或HC(NH₂)₂X粉末的容器中并密封，所述玻璃片设置于含有CH₃NH₃X或HC(NH₂)₂X粉末的上方，将所述容器加热至80℃以上，加热时间0-24h，停止反应后自然冷却，得到铅卤钙钛矿；所述铅卤钙钛矿的结构通式为APbX₃或Cs₄PbX₆；其中，A选自Cs⁺、CH₃NH₃ ⁺或HC(NH₂)₂ ⁺；X 为Cl^-、Br^-或I^-。

进一步地，所述有机酸的结构通式为R-COOH,所述有机胺的结构通式为 R-NH₂，其中R为C_mH_2m-1、C_mH_2m-3、C_mH_2m-5或C_mH_2m-7，6≤m≤18。

进一步地，所述微米级铅卤钙钛矿三维结构包括纳米颗粒组装成的微米带、纳米棒组装成的双锥状结构、纳米片组装成的双球菌状结构、纳米片组装成的微米立方体等。

进一步地，所述铅卤钙钛矿的长度为1-20μm。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：在油相溶液体系中，通过调整配体油酸油胺比例，制备三维羟卤铅矿(结构通式为：Pb(OH)X，X＝Cl^-,Br^-,I^-等) 的微米结构，这种微米级三维复杂结构的是由纳米级Pb(OH)X小单元自组装而成，再以制备的Pb(OH)X作为模板和铅源，使得Cs⁺、CH₃NH₃ ⁺或HC(NH₂)₂ ⁺离子进入Pb(OH)X晶格，原位转化得到相应的三维复杂结构铅卤钙钛矿材料。本发明提供了利用三维羟卤铅矿转化制备钙钛矿的方法，提出了一种新的钙钛矿制备方法，解决了目前不易制备三维复杂结构铅卤钙钛矿材料的重要难题。这种溶液法制备微米级三维结构羟卤铅矿并将其原位转化为钙钛矿的思路和方法，避免了直接制备三维复杂结构铅卤钙钛矿材料的操作困难。这种间接的制备方法经济、简单、可靠。更为重要的是制备的铅卤钙钛矿材料三维结构多样、成分可调。

附图说明

图1为实例1中Pb(OH)Br产物的制备过程及其形貌：a、自然界中存在宏观的羟卤铅矿示意图；b、制备过程示意图；c-d、A2样品的扫描电镜图；e-f、 B2样品的扫描电镜图；g-h、C2样品的扫描电镜图；i-j、D2样品的扫描电镜图；

图2为实例2中制备得到的双球菌状结构Pb(OH)Br样品的相关表征：a、大范围扫描电镜图；b、正视图；c、顶视图；d、剖面图；e、扫描电镜的元素分布图；f、X射线衍射图；g、晶体结构图；

图3为实例3中双球菌状结构Pb(OH)Br在不同时间下状态图：a、1min； b、1h；c、3h；d、10h；e、24h；f、Pb(OH)Br自组装过程的示意图；

图4为实例4中Pb(OH)Br形成机理的探索图：a、配体对于材料微观形貌的影响；b、配体对于材料物相的影响；

图5为实例5中微米级三维Pb(OH)Br模板原位转化制备三维铅卤钙钛矿： a、液相原位转化制备三维微米级CsPbBr₃材料的示意图；b、加入不同量的油酸铯反应后，产物的静态吸收图谱；c、加入不同量的油酸铯(CsOA)反应后，产物的荧光光谱(激发光波长为365nm)；d、加入不同量的油酸铯反应后，产物的X 射线衍射图谱；e、加入不同量的油酸铯反应后，产物颗粒的扫面电子显微镜图像；

图6是实施例8中Pb(OH)Br模板经过气相转化后得到产物：a、扫描电子显微镜照片(插图为单个颗粒的放大图)；b、X射线衍射图谱。

具体实施方式

实施例1

Pb(OH)Br的制备过程如图1b所示：(1)室温下，称取4份0.1101g PbBr₂粉末，分别溶解于1.5ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，剧烈搅拌3min后,溶液澄清，分别记为A1,B1,C1和D1，然后向A1中依次加入150μl油酸(OA)、10μl 油胺(OAM)，向B1中依次加入75μl油酸、75μl油胺，向C1中依次加入150μl 油酸、75μl油胺，向D1中依次加入150μl油酸、1000μl油胺，继续搅拌获得澄清溶液。

(2)使用移液枪分别量取上述(1)中A1、B1、C1、D1的澄清溶液1.4ml，然后分别快速加入到20ml甲苯中，剧烈搅拌10min后静置30小时,得到母液。

(3)分别将母液转移至离心管后使用高速离心离心，转速为7000rpm，时间为5min。然后用甲苯清洗沉淀若干次，得到微米级Pb(OH)Br自组装材料，分别记为A2,B2,C2,D2。

自然界中天然形成羟卤铅矿矿物的图片如如图1a所示。由上述实施例得到的Pb(OH)Br的形貌如图1(c-j)所示，如图1c和d扫描电子显微镜图片所示，A2 为纳米级颗粒组成为微米带；如图1e和f所示，B2为纳米线组成的双锥状结构，该结构中间细、两短粗；如图1g和h所示，C2为纳米片组成的双球菌状结构；如图1i和j所示，D2为纳米片组装而成的微米立方体。

实施例2

(1)室温下，称取0.1101g PbBr₂粉末，溶解于1.5ml N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)中。剧烈搅拌3min后,溶液澄清，依次加入150μl油酸、75μl油胺，继续搅拌获得澄清溶液。

(2)使用移液枪量取上述澄清溶液1.4ml，然后分别快速加入到20ml甲苯中，剧烈搅拌10s后静置20小时,得到母液。

(3)将母液转移至离心管后使用高速离心离心，转速为7000rpm，时间为 5min。然后用甲苯清洗沉淀若干次，得到双球菌状微米级Pb(OH)Br自组装材料。

扫描电子显微镜表明，利用上述方法制备的Pb(OH)Br自组装材料形貌尺寸分布均匀，如图2a所示。放大的扫描电镜照片显示，该结构是由小薄片组成的双球菌状三维结构。该结构高～8μm，宽～6μm，且该Pb(OH)Br是由十分均匀的锥形薄片组装而成的，如图2b所示。图2c和2d为这一结构的俯视图和剖面图，从而进一步确认了这一三维双球菌状结构是由纳米级形状尺寸均匀的锥状薄片通过极为规律的自组装堆叠而形成的。通过EDS分析，结果如图2e所示，可知该材料的主要组成元素为Pb、Br和O。如图2f所示的X射线衍射光谱分析确定了该材料的物相为Pb(OH)Br，PDF卡片号为#30-0697。Pb(OH)Br晶体材料是由Pb²⁺、Br^-和OH^-连接而成的，晶胞结构如图2g所示。

实施例3

(2)使用移液枪量取上述澄清溶液1.4ml，然后分别快速加入到20ml甲苯中，剧烈搅拌30s后，分别静置1min，1h，3，10h和24h,得到母液。

(3)将母液转移至离心管后使用高速离心，转速为7000rpm，时间为5min。然后用甲苯清洗沉淀若干次，得到不同生长时间下的Pb(OH)Br自组装材料。

将上述实施例得到的不同生长时间下的Pb(OH)Br自组装材料，进行扫描电子显微镜测试以对Pb(OH)Br自组装材料的生长组装过程进行详细观察。如图3a 所示，静置1min的时候，产物为均匀的、长度在400纳米左右的双锥形薄片。随着时间的延长，这些薄片沿着轴向逐渐团聚起来，形成了微米级柱状结构，如图3b所示。随着时间的继续延长(3h)，这些纳米级结构单元倾向在两端继续堆叠，则形成了中间较小两端较大的结构，如图3c所示。随着静置时间达到10h，这一规律进一步加强，组装单元在微米柱两端逐渐堆叠成球状，如图3d所示。然后，随着时间继续延长(24h)，这些纳米级组装单元会逐渐组装使得两端的球越来越大，直到两个球形结构相连，如图3e所示。如图3f，形象的描述双球菌状Pb(OH)Br自组装材料的生长、组装过程。

实施例4

(1)室温下，分别称取4份0.1101g PbBr₂粉末，溶解于1.5ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。剧烈搅拌3min后,溶液澄清，分别记为P1,P2,P3,P4,向P1中依次加入0μl油酸(OA)、0μl油胺(OAM)，向P2中依次加入150μl油酸、0 μl油胺，向P3中依次加入0μl油酸、75μl油胺，向P4中依次加入150μl油酸、 75μl油胺，继续搅拌获得澄清溶液。

(2)分别使用移液枪量取上述澄清溶液1.4ml，然后分别快速加入到20ml 甲苯中，剧烈搅拌30s后，静置30小时,得到母液。

(3)分别将母液转移至离心管后使用高速离心离心，转速为7000rpm，时间为5min。然后用甲苯清洗沉淀若干次，得到各类产物。

对上述实施例的产物进行扫描电子显微镜测试和X射线衍射测试。如图4a 所示，在没有加入油酸和油胺的情况下，产物的形貌为不均匀的球形颗粒；在加入油酸没有加入油胺的条件下，产物颗粒的微观形貌更加不规则；然而，当加入油胺没有加入油酸的条件下，产物颗粒则为团聚的小薄片，仔细观察可以发现，这个小薄片的形状和图2b插图中的小薄片类似，只不过在这种条件下，这些小薄片没有发生有规律的自组装行为；当反应液既加入了油酸又加入了油胺的情况下，产物颗粒则会转变为微米级自组装的双球菌状结构。且产物的物相也会随着加入配体的不同而发生变化，如图4b所示，当没有配体或者配体只有油酸的时候，产物为PbBr₂；但是当加入配体油胺或者既加入油酸又加入油胺的时候，产物则变为了Pb(OH)Br。以上数据表明，配体油胺对于物相Pb(OH)Br的形成至关重要；但是配体油酸对于Pb(OH)Br微米结构自组装行为及其形貌调控同样至关重要。

实施例5

(1)室温下，分别称取2份0.1101g PbBr₂粉末，溶解于1.5ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。剧烈搅拌3min后,溶液澄清，分别记为Q1、Q2、Q3，向Q1 中依次加入150μl油酸、75μl辛胺，向Q2中依次加入150μl己酸、75μl油胺，向Q3中依次加入150μl辛酸、37.5μl辛胺，继续搅拌获得澄清溶液。

对上述实施例的产物进行扫描电子显微镜测试和X射线衍射测试。实验结果表明，加入的有机酸和有机胺的种类对产物的物相影响不大，且对产物最终形貌影响不大。

实施例6

为了能够将制备的微米级三维Pb(OH)Br结构原位转化为微观形貌相似的全无机铅卤钙钛矿材料(如图5a)，将油酸铯(CsOA)作为Cs⁺源，在液相溶液中，利用离子交换，制备微米级三维结构CsPbBr₃。

(1)使用实施例2中的制备方法，制备得到微米级三维双球菌状自组装 Pb(OH)Br复杂结构，并将其分散于10ml甲苯(浓度为0.1mol/L)用于接下来的制备工作。

(2)将10ml十八烯(ODE)至于容量在25ml的三口烧瓶中，称取0.407g Cs₂CO₃溶解于上述ODE中，加入0.625mL OA，用瓶塞和封口膜密封，然后油浴加热至120℃，然后分别抽真空、充氮气三次。然后在氮气保护条件下加热至 150℃，充分反应生成CsOA并保温。

(3)将上述(2)中的CsOA，分别稀释10000，1000，100，10，1倍，使用移液枪分别吸取上述溶液1ml，然后逐滴加入到(1)溶液中，剧烈搅拌，滴加速度为10s/一滴。然后离心，离心速率8000rpm，时间为5min，得到铅卤钙钛矿。并将其分散在甲苯中用于储存和表征。

没有加入CsOA、加入稀释10000，1000，100，10，1倍的CsOA分别标记为样品I、II、III、IV、V和VI。上述6种样品的静态吸收光谱和荧光光谱如图 5b和c所示，6中产物的吸收峰从395nm逐渐向510nm移动，然后又跳跃会 315nm左右；于此同时，转化后产物的荧光光谱也从没有明显荧光向蓝光再向绿光转变，这些数据则证明了离子交换使得材料逐渐由羟卤铅矿转化为铅卤钙钛矿。6个样品的XRD图谱则更加明显的记录了Pb(OH)Br逐渐向铅卤钙钛矿的转变过程。在没有加入CsOA的时候，产物为纯净的Pb(OH)Br。随着引入CsOA 量的增加，Pb(OH)Br的物相逐渐向CsPbBr₃转化。值得注意的是，当引入CsOA 量的过多时，产物则变为另一种铅卤钙钛矿Cs₄PbBr₆，如图5d所示。微米级三维双球菌状Pb(OH)Br逐渐向铅卤钙钛矿原位转化过程的微观变化则由扫描电子显微镜记录，如图5e所示。这一转化过程是原位进行的，当模板全部转化为钙钛矿的时候，可以看到材料是由近似于那米立方块的组成单元组装而成的。而加入过量CsOA，会导致材料微观形貌的崩塌，物相也会进而转变为Cs₄PbBr₆。

实施例7

此外，还可以使用含有CH₃NH₃Br的DMF溶液作为CH₃NH₃ ⁺源，在液相溶液中，利用离子交换，制备微米级三维结构CH₃NH₃PbBr₃。

(1)使用实施例2中的制备方法，制备得到微米级三维双球菌状自组装 Pb(OH)Br复杂结构，并将其分散于10ml甲苯(0.0001mol/L)用于接下来的制备工作。

(2)将0.001mmol或0.1mmol CH₃NH₃Br粉末溶解于1ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，充分搅拌后得到澄清溶液。

(3)使用移液枪将上述(2)中的溶液，缓慢滴加到(1)溶液中，剧烈搅拌，滴加速度为10s/一滴。然后离心，离心速率3000rpm，时间为5min，得到产物。并将其分散在甲苯中用于储存和表征。

经过X射线衍射以及扫描电子显微镜等测试分析得出：产物均为双球菌状微米级铅卤钙钛矿CH₃NH₃PbBr₃。

实施例8

采用气相法制备三维铅卤钙钛矿结构：

(1)室温下，称取0.1101g PbBr₂粉末，溶解于1.5ml N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)中。剧烈搅拌3min后,溶液澄清，依次加入75μl油酸、37.5μl油胺，继续搅拌获得澄清溶液。

(2)使用移液枪量取上述澄清溶液1.4ml，然后分别快速加入到20ml甲苯中，剧烈搅拌30s后静置30小时,得到母液。

(3)将母液转移至离心管后使用高速离心离心，转速为8000rpm，时间为 5min。然后用甲苯清洗沉淀若干次，得到双球菌状微米级Pb(OH)Br自组装材料，

(4)将步骤3得到的Pb(OH)Br甲苯溶液(浓度为0.1mmol/L)均匀分散到玻璃片表面，然后将所述玻璃片固定在含有CH₃NH₃Br粉末的容器中并密封，所述玻璃片设置于含有CH₃NH₃Br粉末的上方，将所述容器加热至125℃，加热时间6h，停止反应后自然冷却，得到铅卤钙钛矿。

如图6a所示，利用气相法原位转化制备的CH₃NH₃PbBr₃材料的微观结构依然为模板的微观结构(双球菌状)，图中左上角插图说明了材料是由类似几百纳米的立方体组装而成的；X射线衍射图谱表明，材料的物相已经转变成了 CH₃NH₃PbBr₃。

实施例9

采用气相法制备三维铅卤钙钛矿结构：

(1)室温下，称取0.30mmol PbI₂粉末，溶解于1.5ml N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)中。剧烈搅拌3min后,溶液澄清，依次加入75μl油酸、37.5μl油胺，继续搅拌获得澄清溶液。

(3)将母液转移至离心管后使用高速离心离心，转速为3000rpm，时间为 5min。然后用甲苯清洗沉淀若干次，得到双球菌状微米级Pb(OH)I自组装材料，

(4)将步骤3得到的Pb(OH)I甲苯溶液(浓度为0.001mmol/L)均匀分散到玻璃片表面，然后将所述玻璃片固定在含有HC(NH₂)₂I粉末的容器中并密封，所述玻璃片设置于含有HC(NH₂)₂I粉末的上方，将所述容器加热至160℃，加热时间6h，停止反应后自然冷却，得到产物。经过X射线衍射以及扫描电子显微镜等测试分析得出：该产物为双球菌状微米级HC(NH₂)₂PbI₃。

Claims

1.一种铅卤钙钛矿的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)取上述澄清溶液1.4ml,加入到20ml甲苯中，搅拌10s-10min后静置20-30h,得到母液。

(4)取1ml浓度为0.000013-0.13mol/L的CsOA的十八烯溶液或取1ml浓度为0.001-0.1mol/L的AX的DMF溶液,滴加到步骤(3)制备的Pb(OH)X甲苯溶液中，离心，离心速率为3000-8000rpm，离心时间为5min，得到铅卤钙钛矿；所述铅卤钙钛矿的结构通式为APbX₃或Cs₄PbX₆；其中，A选自Cs⁺、CH₃NH₃ ⁺或HC(NH₂)₂ ⁺；X为Cl^-、Br^-或I^-。

2.一种铅卤钙钛矿的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(4)将步骤(3)得到的Pb(OH)X甲苯溶液均匀分散到玻璃片表面，然后将所述玻璃片固定在含有CH₃NH₃X或HC(NH₂)₂X粉末的容器中并密封，所述玻璃片设置于含有CH₃NH₃X或HC(NH₂)₂X粉末的上方，将所述容器加热至80℃以上，加热时间0-24h，停止反应后自然冷却，得到铅卤钙钛矿；所述铅卤钙钛矿的结构通式为APbX₃或Cs₄PbX₆；其中，A选自Cs⁺、CH₃NH₃ ⁺或HC(NH₂)₂ ⁺；X为Cl^-、Br^-或I^-。

3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述有机酸的结构通式为R-COOH,所述有机胺的结构通式为R-NH₂，其中R为C_mH_2m-1、C_mH_2m-3、C_mH_2m-5或C_mH_2m-7，6≤m≤18。

4.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述微米级铅卤钙钛矿三维结构包括纳米颗粒组装成的微米带、纳米棒组装成的双锥状结构、纳米片组装成的双球菌状结构、纳米片组装成的微米立方体等。

5.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，所述铅卤钙钛矿的长度为1-20μm。