CN115818697B - 一种氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶以及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶以及其制备方法和应用，方法包括将第二前驱体溶液分成N份；将第一前驱体溶液和其中1份第二前驱体溶液通入液相反应器中并在液相反应器中发生反应形成含有中间产物的溶液；将含有中间产物的溶液再次与剩余的第二前驱体溶液进行N‑1次循环反应形成产物氧化锌纳米晶，每一次循环反应是将上一次反应结束后获得的含中间产物的溶液与1份第二前驱体溶液通入液相反应器中进行反应，第一前驱体溶液为包含锌离子的有机溶液，第二前驱体溶液为包含氢氧根离子的有机溶液。采用本发明的方法制备氧化锌纳米晶能够很好的解决反应器堵塞问题，特别是在制备更大粒径的氧化锌纳米晶时，反应器也不易堵塞。
Description
技术领域
本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶以及其制备方法和应用。
背景技术
量子点发光二极管(QLED)具有色纯度高、色域广、发光效率高、可以大面积打印、制备低成本等优势，目前QLED引起了人们越来越广泛的关注及更深入的研究，并且已取得了突破性的成果，有望成为下一代固态照明和显示的主流技术。但是QLED各功能层材料目前还遇到一些挑战，就电子传输层材料而言，当前主要采用电子传输性能优异的氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶。
现有的制备氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶的制备方法有高温焙烧法、高温微波法和溶胶-凝胶法，然而这些方法通常存在制备条件苛刻、产量小、反应时间长、批次稳定性差、粒径分布不均匀等问题，这就造成器件性能不稳定，严重限制了氧化锌及掺杂氧化锌电子传输层在QLED方面的应用。
中国专利CN113562758A公开了一种氧化锌镁纳米颗粒，其制备方法以及量子点电致发光器件，其采用将前驱体溶液A和前驱体溶液B通过不同的管路连续地通入液相反应器中，前驱体溶液A和前驱体溶液B于液相反应器的微腔内形成扰流并发生反应，反应后的混合液从液相反应器中流出；将流出的混合液于过量的乙酸乙酯或丙酮中沉降，去除上清液后离心，得到氧化锌镁纳米颗粒。该方法采用连续液相反应制备氧化锌镁纳米颗粒，虽然大大提升了反应的速率，有利于实现氧化锌镁纳米颗粒的量产，但仍然存在反应剧烈、易形成沉降，反应器易堵塞，特别是制备大粒径的氧化锌纳米颗粒时，堵塞严重。
发明内容
针对现有技术中采用连续液相反应制备氧化锌纳米晶存在反应器易堵塞的问题，本发明提供一种改进的氧化锌纳米晶的制备方法，该方法制备更大粒径的氧化锌纳米晶时反应器也不易堵塞，且制备得到的氧化锌纳米晶表面形态更好。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种氧化锌纳米晶的制备方法，包括配制第一前驱体溶液和第二前驱体溶液的步骤，所述第一前驱体溶液为包含锌离子的有机溶液，所述第二前驱体溶液为包含氢氧根离子的有机溶液，所述制备方法还包括以下步骤：
(1)将所述第二前驱体溶液分成N份；
(2)将所述第一前驱体溶液和其中1份所述第二前驱体溶液通入液相反应器中并在所述液相反应器中发生反应形成含有中间产物的溶液；
(3)将所述含有中间产物的溶液再次与剩余的所述第二前驱体溶液进行N-1次循环反应形成产物氧化锌纳米晶，每一次循环反应是将上一次反应结束后获得的含中间产物的溶液与1份所述第二前驱体溶液通入液相反应器中进行反应。
根据本发明的一些实施方面，所述N为大于等于2。
进一步地，所述N为2～7，如所述N为2、3、4、5、6或7。
根据本发明的一些实施方法，步骤(1)中，所述第二前驱体溶液为平均分成N份或非均分成N份。
根据本发明的一些实施方法，所述第一前驱体溶液和其中一份所述第二前驱体溶液进行反应的反应温度、每一次循环反应的反应温度分别为-10～150℃，反应压力为0.1～20bar。
根据本发明的一些实施方法，所述第一前驱体溶液的流量、每次通入所述反应器的第二前驱体溶液的流量、每一次循环反应中的含中间产物的溶液的流量分别为0.5～10ml/min。
根据本发明的一些实施方法，步骤(3)中，将包含所述产物氧化锌纳米晶的反应液通入乙酸乙酯、丙酮或正己烷中沉降、离心得到所述氧化锌纳米晶，所述乙酸乙酯、丙酮或正己烷的体积为所述包含所述产物氧化锌纳米晶的反应液的1～6倍。
根据本发明的一些实施方法，所述氧化锌纳米晶的粒径在2～80nm之间可调。优选地，所述氧化锌纳米晶的粒径在4～40nm之间可调。
根据本发明的一些实施方法，所述第一前驱体溶液中的锌离子来源于醋酸锌、硝酸锌、氯化锌、碳酸锌中的一种或者几种的组合。优选地，所述锌离子来源于醋酸锌。
根据本发明的一些实施方法，所述第一前驱体溶液的浓度为0.02～2.0mol/l。
根据本发明的一些实施方法，所述第一前驱体溶液使用的溶剂为二甲基亚砜、甲氧基乙醇、乙醇、丙醇、甲醇、丁醇、四氢呋喃中的一种或几种的组合。优选地，所述第一前驱体溶液使用的溶剂为二甲基亚砜。
根据本发明的一些实施方法，所述第二前驱体溶液中的氢氧根离子来源于四甲基氢氧化铵、六次甲基四胺、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氨水中的一种或多种的组合。优选地，所述第二前驱体溶液中的氢氧根离子来源于四甲基氢氧化铵、氢氧化钾中的一种或两种。
根据本发明的一些实施方法，所述第二前驱体溶液使用的溶剂为乙醇、氯仿、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇、丙二醇醚类、丙二醇酯类中任一种或几种的组合。
根据本发明的一些实施方法，所述第二前驱体溶液的浓度为0.05～7.5mol/l。
根据本发明的一些实施方法，所述第一前驱体溶液还包括掺杂离子，所述掺杂离子为镁、铝、钴、铜、锰、镓、镉、铅、汞、铒、铱、镱、锶、锡的一种或几种的组合。进一步地，所述掺杂离子来源于掺杂离子盐，所述掺杂离子盐为醋酸盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氯化物中的一种或多种的组合。优选地，所述掺杂离子盐为醋酸镁。
根据本发明的一些实施方面，所述第一前驱体溶液还包括掺杂离子，所述掺杂离子的摩尔含量为0～25％。
根据本发明的一些实施方法，所述第一前驱体溶液中锌离子或/和掺杂离子的总摩尔数与所述第二前驱体溶液中的氢氧根离子的总摩尔数的比为1:0.5～4。优选地，所述第一前驱体溶液中锌离子或/和掺杂离子的总摩尔数与所述第二前驱体溶液中的氢氧根离子的总摩尔数的比为1:1.2～3，更优选地，为1:2～3，具体如1:2、1:3、1:2.6、1:2.7。
在一些具体实施方式中，所述氧化锌纳米晶的制备方法还包括使用1～6倍体积的乙酸乙酯、丙酮或正己烷收集含所述氧化锌纳米晶的反应液，沉降、离心，得到氧化锌纳米晶，然后将所述氧化锌纳米晶分散于乙醇和/或氯仿中形成浓度为10-100mg/ml的含氧化锌纳米晶的墨水。
本发明采取的第二技术方案为：一种氧化锌纳米晶的表面修饰方法，所述表面修饰方法包括以下步骤：
步骤S1、采用上述所述氧化锌纳米晶的制备方法制备所述氧化锌纳米晶；
步骤S2、使步骤S1获得的所述氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到墨水，然后将溶解有修饰剂的溶液分散到所述墨水中使得所述氧化锌纳米晶表面键合修饰剂，其中，所述修饰剂为PVP、乙醇胺、油酸、4-巯基硫醇、十六烷基苯磺酸钠、十六烷基溴化钠、3-氨基丙基-三甲氧基硅烷中的一种或几种的组合。
在一些具体实施方式中，步骤S2中，所述墨水的浓度为10-100mg/ml，所述溶解有修饰剂的溶液的浓度为0.1-30mg/ml，所述溶解有修饰剂的溶液与墨水的体积比为0.001～0.5：1。
优选地，所述溶解有修饰剂的溶液的浓度为5-30mg/ml。
在一些具体实施方式中，所述溶解有修饰剂的溶液的溶剂为乙醇、氯仿、丙醇、甲醇、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种的组合。
在一些具体实施方式中，步骤S2中，所述有机溶剂为乙醇、氯仿、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇、丙二醇醚类、丙二醇酯类中任一种或几种的组合。
在一些具体实施方式中，步骤S2中，将所述溶解有修饰剂的溶液搅拌或超声分散到所述墨水中。优选地，所述搅拌或超声时间为1～60min。
在一些具体实施方式中，所述表面修饰方法还包括步骤S2中，所述溶解有修饰剂的溶液加入所述墨水之后，还可选择性地再向所述墨水中加入乙醇胺、乙二胺等中的一种或多种的组合。所述乙醇胺、乙二胺等中的一种或多种的组合与所述墨水的体积比为0.05～0.15:1。
本发明采取的第三技术方案为：一种金属硫化物氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法，所述氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法包括以下步骤：
步骤A、采用上述所述氧化锌纳米晶的制备方法制备所述氧化锌纳米晶；
步骤B、使步骤A的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含氧化锌纳米晶的墨水；
步骤C、使含有硫的阴离子的醇溶液分散到所述步骤B得到的所述墨水中，使得所述氧化锌纳米晶的表面键合含有硫的阴离子，沉降、分离，获得表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶，然后将所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶的墨水，将溶解有金属离子的醇溶液分散到该墨水中，获得的氧化锌核壳结构纳米晶，其中，核层为氧化锌纳米晶，壳层为金属硫化物。
进一步地，根据对壳层的厚度要求，可多次循环步骤B、步骤C的操作，即将步骤B、步骤C的操作作为一次循环操作，每次循环结束后将上一次循环获得的氧化锌核壳结构纳米晶作为下一次循环操作的步骤B中的氧化锌纳米晶。
进一步地，步骤B中，所述含氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100mg/ml，所述含有硫的阴离子的醇溶液的浓度为0.01-2.0mol/l，所述含氧化锌纳米晶的墨水与所述含有硫的阴离子的醇溶液的体积比为1：0.05～0.5。
进一步地，步骤B中，所述有机溶剂为乙醇、氯仿、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇、丙二醇醚类、丙二醇酯类中任一种或几种的组合。
进一步地，所述含有硫的阴离子的醇溶液的溶质为硫化钠、硫脲、硫氢化钠、硫醇中的一种或多种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合。
进一步地，所述含所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100mg/ml，所述溶解有金属离子的醇溶液的浓度为0.01-2.0mol/l，所述含所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶的墨水与所述溶解有金属离子的醇溶液的体积比为1：0.05～0.5。
进一步地，所述金属离子为锌、铅、钨、钼、铜、锰中的一种或多种的组合。
进一步地，所述溶解有金属离子的醇溶液的溶质为硝酸盐、硫酸盐、氯化物、醋酸盐中的一种或几种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合。
本发明采取的第四技术方案为：一种金属氧化物修饰的氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法，所述氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法包括以下步骤：
步骤a、采用上述所述氧化锌纳米晶的制备方法制备所述氧化锌纳米晶；
步骤b、使步骤a的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含氧化锌纳米晶的墨水；
步骤c、使溶解有金属离子的醇溶液分散到所述步骤b得到的所述墨水中，使得所述氧化锌纳米晶的表面键合金属离子，沉降、分离，获得表面键合金属离子的氧化锌纳米晶，然后将所述表面键合金属离子的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含所述表面键合金属离子的氧化锌纳米晶的墨水，将含有氢氧根离子的醇溶液分散到该墨水中，获得氧化锌核壳结构纳米晶，其中，核层为氧化锌纳米晶，壳层为金属氧化物。
进一步地，根据对壳层的厚度要求，可多次循环步骤b、步骤c的操作，即将步骤b、步骤c的操作作为一次循环操作，每次循环结束后将上一次循环获得的氧化锌核壳结构纳米晶作为下一次循环操作的步骤b中的氧化锌纳米晶。
进一步地，步骤b中，所述含氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100mg/ml，所述溶解有金属离子的醇溶液的浓度为0.01-2.0mol/l，所述含氧化锌纳米晶的墨水与所述含有硫的阴离子的醇溶液的体积比为1：0.05～0.5。
进一步地，步骤b中，所述有机溶剂为乙醇、氯仿、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇、丙二醇醚类、丙二醇酯类中任一种或几种的组合。
进一步地，所述金属离子为锌、铅、钛、钨、钼、铜、锰中的一种或多种的组合。
进一步地，所述溶解有金属离子的醇溶液的溶质为硝酸盐、硫酸盐、氯化物、醋酸盐、酯类有机盐中的一种或几种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合。
进一步地，所述含所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100mg/ml，所述含有氢氧根离子的醇溶液的浓度为0.01-4.0mol/l，所述含所述表面键合金属离子的氧化锌纳米晶的墨水与所述含有氢氧根离子的醇溶液的体积比为1：0.05～0.5。
进一步地，所述含有氢氧根离子的醇溶液的溶质为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的一种或多种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合。
上述所述氧化锌纳米晶的制备方法制备的所述氧化锌纳米晶、上述所述氧化锌纳米晶的表面修饰方法制备的表面修饰的氧化锌纳米晶、上述所述核壳结构氧化锌纳米晶的制备方法制备的氧化锌核壳结构纳米晶可作为QLED电子传输层、生物标识、电致变色、场效应管、光电探测器等领域的材料。
本发明采取的第五技术方案为：一种电致发光器件，包括电子传输层或/和电子注入层，所述电子传输层或/和电子注入层采用上述所述氧化锌纳米晶的制备方法制备的所述氧化锌纳米晶、上述所述氧化锌纳米晶的表面修饰方法制备的表面修饰的氧化锌纳米晶、上述所述氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法制备的氧化锌核壳结构纳米晶中的一者或多者制备而成。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
采用本发明的方法制备氧化锌纳米晶能够很好的解决无机化合物连续液相反应过程中反应器堵塞问题，特别是在制备更大粒径的氧化锌纳米晶时，反应器也不易堵塞，同时采用本发明的制备方法制备的氧化锌纳米晶表面活性更加均匀、表面态可调控性更强，能够获得表面形态更好的氧化锌纳米晶，可直接对其进行有机表面修饰或制备核壳结构修饰，简化了修饰程序，提高修饰均匀性。
附图说明
图1为实施例1的镁掺杂氧化锌纳米晶的反应流程示意图；
图2为实施例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的透射电子显微镜图；
图3为对比例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的透射电子显微镜图。
具体实施方式
如背景技术所述，现有的连续液相反应易出现堵塞反应器、难以顺利制备大粒径的氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶。本申请发明人经过大量实验研究，采用本申请的方法制备氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶能够很好的解决反应器堵塞和难以顺利制备大粒径氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶的问题，并且本申请的氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶的制备方法相比现有的连续液相反应法的优点，具体至少包括如下优点：
(1)采用本发明的制备方法制备的氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶表面活性更加均匀、表面态可控性更强，可直接对其进行有机表面修饰或制备核壳结构修饰，简化了修饰程序、提高了修饰均匀性。修饰后的纳米晶性能分散性更好，性能更加稳定。
(2)采用本发明的制备方法制备的氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶粒径可调控范围更广，可通过综合调控反应循环次数、前驱体浓度、前驱体流量及反应温度等参数制备不同尺寸粒径的氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶，同时解决了常见的无机物液相反应易产生的设备堵塞问题。
(3)采用本发明的制备方法能够顺利获得比现有的连续液相反应法更大粒径的氧化锌及掺杂氧化锌纳米晶，能够用于更多的领域中，如生物标识、电致变色器件中，大大拓宽其应用范围。
下面通过具体实施例对本发明做进一步详述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供镁掺杂氧化锌纳米晶的制备方法，反应流程如图1所示，步骤如下：
(1)配制溶液
配制浓度分别为0.2mol/l的乙酸锌和乙酸镁的二甲基亚砜溶液，将乙酸锌和乙酸镁溶液混合，使镁离子在混合液中的摩尔含量为15％，得到第一前驱体溶液；
配制浓度为0.8mol/l的氢氧化钾的乙醇溶液，得到第二前驱体溶液。
(2)制备镁掺杂氧化锌纳米晶
设定液相反应器的反应温度为40℃，反应压力为6.5bar，将第一前驱体溶液以8ml/min的流速、第一部分第二前驱体溶液以2ml/min的流速分别通过不同的管路通入液相反应器的微腔中混合反应，得到含中间产物的溶液，含中间产物的溶液连续地输出液相反应器存放于收集瓶中，连续通料10min后，停止通入第一前驱体溶液和第二前驱体溶液；
将收集瓶中的含中间产物的溶液以10ml/min的流速和第二部分第二前驱体溶液以4ml/min的流速分别通过不同的管路再次通入液相反应器的微腔中混合反应，连续通料10min，得到含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液，含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液通入三倍体积的正己烷中沉降、离心，离心后的镁掺杂氧化锌纳米晶分散于乙醇中形成35mg/ml的墨水，其中，第一部分第二前驱体溶液的用量占第二前驱体溶液总用量的1/3，第二部分第二前驱体溶液的用量占第二前驱体溶液总用量的2/3。
图2为所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的透射电子显微镜图，且经激光粒度仪分析，所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在5～9nm，83％的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在6～7nm。
实施例2
本实施例提供镁掺杂氧化锌纳米晶的制备方法，与实施例1的不同之处在于：
步骤(2)中，采用三次循环制备镁掺杂氧化锌纳米晶，具体为：
(1)配制溶液
配制浓度分别为0.2mol/l的乙酸锌和乙酸镁的二甲基亚砜溶液，将乙酸锌和乙酸镁溶液混合，使镁离子在混合液中的摩尔含量为15％，得到第一前驱体溶液；
配制浓度为0.45mol/l的氢氧化钾的乙醇溶液，得到第二前驱体溶液。
(2)制备镁掺杂氧化锌纳米晶
设定液相反应器的反应温度为50℃，反应压力为5.0bar，将第一前驱体溶液以4ml/min的流速、第一部分第二前驱体溶液以1.5ml/min的流速分别通过不同的管路通入液相反应器的微腔中混合反应，得到含中间产物的溶液X，含中间产物的溶液X连续地输出液相反应器存放于收集瓶中，连续通料15min后，停止通入第一前驱体溶液和第二前驱体溶液。其中，第一部分第二前驱体溶液的用量约占第二前驱体溶液总用量的31％。
将收集瓶中的含中间产物的溶液X以6.5ml/min的流速和第二部分第二前驱体溶液以2.5ml/min的流速分别通过不同的管路再次通入液相反应器的微腔中混合反应，得到含有中间产物的溶液Y，含有中间产物的溶液Y连续地输出液相反应器存放于收集瓶中，连续通料12min后，停止通入中间产物的溶液X和第二前驱体溶液。其中，第二部分第二前驱体溶液的用量约占第二前驱体溶液总用量的41％。
再次将收集瓶中的含中间产物的溶液Y以10ml/min的流速和第三部分第二前驱体溶液以2.0ml/min的流速分别通过不同的管路再次通入液相反应器的微腔中混合反应，得到含有中间产物的溶液Z，含有中间产物的溶液Z连续地输出液相反应器存放于收集瓶中，连续通料10min后，停止通入中间产物的溶液Y和第二前驱体溶液。得到含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液，含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液通入三倍体积的正己烷中沉降、离心，离心后的镁掺杂氧化锌纳米晶分散于乙醇中形成40mg/ml的墨水，其中，第三部分第二前驱体溶液的用量约占第二前驱体溶液总用量的28％。
经激光粒度仪分析，所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在11-15nm，80％的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在12～14nm。
实施例3
本实施例提供镁掺杂氧化锌纳米晶的制备方法，与实施例1的不同之处在于：
步骤(2)中，采用5次循环制备镁掺杂氧化锌纳米晶，具体为：
(1)配制溶液
配制浓度分别为0.3mol/l的乙酸锌和乙酸镁的二甲基亚砜溶液，将乙酸锌和乙酸镁溶液混合，使镁离子在混合液中的摩尔含量为15％，得到第一前驱体溶液；
配制浓度为0.5mol/l的氢氧化钾的乙醇溶液，得到第二前驱体溶液。
(2)制备镁掺杂氧化锌纳米晶
设定液相反应器的反应温度为70℃，反应压力为5.7bar，将第一前驱体溶液以3ml/min的流速、第一部分第二前驱体溶液以0.8ml/min的流速分别通过不同的管路通入液相反应器的微腔中混合反应，得到含中间产物的溶液X，含中间产物的溶液X连续地输出液相反应器存放于收集瓶中，连续通料15min后，停止通入第一前驱体溶液和第二前驱体溶液；其中，第一部分第二前驱体溶液的用量占第二前驱体溶液总用量的20％。
将收集瓶中的含中间产物的溶液X以4ml/min的流速和第二部分第二前驱体溶液以1ml/min的流速分别通过不同的管路再次通入液相反应器的微腔中混合反应，得到含有中间产物的溶液Y，含有中间产物的溶液Y连续地输出液相反应器存放于收集瓶中，连续通料12min后，停止通入中间产物的溶液X和第二前驱体溶液。其中，第二部分第二前驱体溶液的用量占第二前驱体溶液总用量的20％。
如此，经过5个循环反应(该5个循环反应包括第一前驱体溶液与第一部分第二前驱体溶液的反应)，其中第二前驱体溶液每次的用量分别为第二前驱体溶液总用量的20％，第1～5个循环连续通料时间分别为15min，12min，10min，8min，6min，第3～5个循环中连续通入液相反应器中的含中间产物的溶液的流量依次是4.5ml/min、7ml/min、和10ml/min。
经激光粒度仪分析，所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在32-38nm，85％的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在34-37nm。
实施例4
本实施例提供镁掺杂氧化锌纳米晶的制备方法，与实施例3的不同之处在于：
步骤(1)中，配制浓度分别为1mol/l的乙酸锌和乙酸镁的二甲基亚砜溶液，将乙酸锌和乙酸镁溶液混合，使镁离子在混合液中的摩尔含量为15％，得到第一前驱体溶液；
配制浓度为2mol/l的氢氧化钾的乙醇溶液，得到第二前驱体溶液。
经激光粒度仪分析，所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在52-60nm，84％的镁掺杂纳米晶粒径尺寸分布在55-58nm。
实施例5
本实施例提供镁掺杂氧化锌纳米晶的制备方法，与实施例3的不同之处在于：
步骤(1)中，配制浓度为0.5mol/l的乙酸锌的乙醇溶液，得到第一前驱体溶液；配制浓度为1mol/l的四甲基氢氧化铵的乙醇溶液。
经激光粒度仪分析，所制备的氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在40-47nm，86％的镁掺杂纳米晶粒径尺寸分布在43-46nm。
实施例6
本实施例提供镁掺杂氧化锌纳米晶的3-氨基丙基-三甲氧基硅烷表面修饰方法，步骤如下：
配制浓度为0.1mol/l的3-氨基丙基-三甲氧基硅烷的乙醇溶液，得到有机修饰液。
在25℃下向实施例1制备的10ml浓度为40mg/ml镁掺杂氧化锌纳米晶墨水中加入1ml浓度为0.1mol/l的3-氨基丙基-三甲氧基硅烷溶液，搅拌5min，然后加入1ml乙醇胺，并用乙酸乙酯沉降、离心，将离心产物分散在乙醇中，标定形成30mg/ml的3-氨基丙基-三甲基硅烷修饰的镁掺杂氧化锌纳米晶。
经激光粒度仪分析，表明制备的3-氨基丙基-三甲氧基硅烷修饰的镁掺杂氧化锌纳米晶的平均粒径尺寸为8nm，88％的粒径尺寸分布集中在7-9nm。
实施例7
本实施例提供镁掺杂氧化锌/硫化锰核壳结构纳米晶的制备方法，步骤如下：
(1)在40℃下，将2ml浓度为0.2mol/l的硫化钠的乙醇溶液滴加到25ml的实施例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的墨水中，分散30min，使得镁掺杂氧化锌纳米晶表面键合硫离子，沉降、离心，离心后的表面键合硫离子的镁掺杂氧化锌纳米晶分散于乙醇中形成30mg/ml的墨水；
(2)在40℃下，将4ml的浓度为0.2mol/l的硝酸锰的乙醇溶液滴加到25ml的步骤(1)获得的墨水，分散30min，沉降、离心，得到镁掺杂氧化锌/硫化锰核壳结构纳米晶，将纳米晶分散在乙醇中形成30mg/ml的镁掺杂氧化锌/硫化锰核壳结构纳米晶墨水。
经激光粒度仪分析，表明制备的镁掺杂氧化锌/硫化锰核壳结构纳米晶的粒径尺寸为6-10nm，85％的粒径分布在7-9nm。
实施例8
本实施例提供氧化锌/氧化钛核壳结构的制备方法，步骤如下：
(1)在25℃下，将2ml浓度为0.2mol/l的钛酸四丁酯的乙醇溶液滴加到30ml的实施例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的墨水中，分散20min，使得镁掺杂氧化锌纳米晶表面键合钛离子，沉降、离心，离心后的表面键合钛离子的镁掺杂氧化锌纳米晶分散于乙醇中形成30mg/ml的墨水；
(2)在25℃下，将2ml浓度为0.4mol/l的氢氧化钠的乙醇溶液滴加到25ml的步骤(1)获得的墨水中，分散20min，沉降、离心，得到镁掺杂氧化锌/氧化钛核壳结构纳米晶，将纳米晶分散在乙醇中形成30mg/ml的镁掺杂氧化锌/氧化钛核壳结构纳米晶墨水。
经激光粒度仪分析，表明制备的镁掺杂氧化锌/氧化钛核壳结构纳米晶的粒径尺寸为9-12nm，80％的纳米晶粒径尺寸分布在10-11nm。
对比例1
本对比例提供的镁掺杂氧化锌纳米晶，与实施例1的不同之处在于：
步骤(2)中，将第一前驱体溶液以8ml/min的流速、第二前驱体溶液以4ml/min的流速分别通过不同的管路通入液相反应器的微腔中混合反应10min，得到含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液，含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液通入三倍体积的正己烷中沉降、离心，离心后的镁掺杂氧化锌纳米晶分散于乙醇中形成35mg/ml的墨水。
图3为所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的透射电子显微镜图，并经激光粒度仪分析，所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在3-6nm，81％的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径尺寸分布在4-5nm。
对比例2
本对比例提供的镁掺杂氧化锌纳米晶，与对比例1的不同之处在于：
步骤(1)中，将第一前驱体溶液浓度增加到0.5mol/l、第二前驱体溶液的浓度增加到1.25mol/l,分别通过不同的管路通入液相反应器的微腔中混合反应3min，得到含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液，然而此时液相反应器出现了堵塞现象，能够观察到有白色固体物质粘附在液相反应器内壁上，反应难以顺利进行。将含镁掺杂氧化锌纳米晶的溶液通入三倍体积的正己烷中沉降、离心，离心后的镁掺杂氧化锌纳米晶分散于乙醇中形成35mg/ml的墨水。
经激光粒度仪分析，所制备的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径分布在9-14nm，80％的镁掺杂氧化锌纳米晶粒径分布在10-13nm。
对比例3
本对比例提供镁掺杂氧化锌纳米晶的3-氨基丙基-三甲基硅烷表面修饰的方法，与实施例6不同之处在于：采用对比例1的镁掺杂氧化锌纳米晶进行修饰，步骤如下：
配制浓度为0.1mol/l的3-氨基丙基-三甲氧基硅烷的乙醇溶液，得到有机修饰液。
在25℃下向10ml浓度为30mg/ml镁掺杂氧化锌纳米晶中加入1ml浓度为0.1mol/l的3-氨基丙基-三甲氧基硅烷溶液，搅拌15min，然后加入1ml乙醇胺，用乙酸乙酯沉降、离心，然后将离心产物分散在乙醇中，标定形成30mg/ml的3-氨基丙基-三甲基硅烷修饰的镁掺杂氧化锌纳米晶。
由实施例6和对比例3可见，在墨水中加入3-氨基丙基-三甲氧基硅烷溶液后，对比例3的搅拌时间明显更长，说明对比例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶相对于实施例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶难以键合3-氨基丙基-三甲基硅烷溶液，说明对比例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶表面活性相对于实施例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的表面活性更差，对比例1制备的镁掺杂氧化锌纳米晶的表面更难以修饰。经激光粒度仪分析，制备的3-氨基丙基-三甲氧基硅烷修饰的镁掺杂氧化锌纳米晶的平均尺寸为5nm，88％的粒径分布集中在4-7nm。
应用实施例
制备量子点电致发光器件
将镀有ITO的玻璃基底依次用去离子水、丙酮和异丙醇洗净，并用烘箱烘干，再进行O2plasma处理。在处理之后的玻璃基底之上旋涂PEDOT：PSS，并置于120℃烘箱内进行烘干处理。烘干后将基底转移至氮气氛围手套箱中，之后将空穴传输材料的氯苯溶液旋涂于PEDOT：PSS之上，随后在100℃热台之上退火30min；之后，将量子点发光层的辛烷溶液涂旋在空穴传输层，100℃退火15min。随后，将氧化锌纳米晶墨水涂旋在量子点发光层之上。以上操作完成以后，转移至真空蒸镀仓在4×10-4Pa的真空度下依次沉积Al或Ag阴极，得到量子点电致发光器件，具体器件结构为ITO/PEDOT:PSS(40nm)/HTL(20nm)/QD-EML(10nm)/ZnxMg1-xO(40nm)/Al(100nm)。
分别采用实施例1～8和对比例1～2的氧化锌纳米晶、修饰后的氧化锌纳米晶、核壳结构的氧化锌纳米晶，制作上述的量子点电致发光器件，并测试了器件性能，结果表明实施例2制备的镁掺杂氧化锌纳米晶作为电子传输层制备的器件的性能，与实施例1相比，其外量子效率、电流效率和功率效率分别提升了21.3％，23.8％和24.5％,表明经多次循环制备的镁掺杂氧化锌纳米晶电子传输层具有好的表面态均匀性，与其它功能层形成好的接触界面，有利于电子的输运。实施例6制备的3-氨基丙基-三甲基硅烷修饰的镁掺杂氧化锌纳米晶作为电子传输层制备的器件具有最高的器件性能，其外量子效率、电流效率和功率效率相比于实施例1分别提升了61.2％，73.9％和88.1％；实施例6制备的3-氨基丙基-三甲基硅烷修饰的镁掺杂氧化锌纳米晶作为电子传输层制备的器件的外量子效率、电流效率和功率效率相比于对比例3分别提升了13.7％，12.9％和15.5％,表明经多次循环制备的镁掺杂氧化锌纳米晶表面修饰后作为电子传输层与其它功能层具有更好的接触界面，更有利于电子传输。
本发明中，如无特别指明，所述氧化锌纳米晶是广义上的意义，是指未掺杂氧化锌纳米晶或掺杂氧化锌纳米晶。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种氧化锌纳米晶的制备方法，包括配制第一前驱体溶液和第二前驱体溶液的步骤，所述第一前驱体溶液为包含锌离子的有机溶液，所述第二前驱体溶液为包含氢氧根离子的有机溶液，其特征在于，所述制备方法还包括以下步骤：
（1）将所述第二前驱体溶液分成N份，所述N为大于等于2；
（2）将所述第一前驱体溶液和其中1份所述第二前驱体溶液分别通过不同的管路连续通入液相反应器中并在所述液相反应器的微腔中发生反应形成含有中间产物的溶液，所述含有中间产物的溶液连续地输出所述液相反应器；
（3）将所述含有中间产物的溶液再次与剩余的所述第二前驱体溶液进行N-1次循环反应形成产物氧化锌纳米晶，每一次循环反应是将上一次反应结束后获得的含有中间产物的溶液与1份所述第二前驱体溶液分别通过不同的管路连续通入所述液相反应器中进行反应然后连续地输出所述液相反应器；
步骤（3）中，将包含所述产物氧化锌纳米晶的反应液通入乙酸乙酯、丙酮或正己烷中沉降、离心得到所述氧化锌纳米晶。
2.根据权利要求1所述的氧化锌纳米晶的制备方法，其特征在于：所述N为2~7。
3.根据权利要求1所述的氧化锌纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述第二前驱体溶液为平均分成N份或非均分成N份。
4.根据权利要求1所述的氧化锌纳米晶的制备方法，其特征在于：所述第一前驱体溶液和其中1份所述第二前驱体溶液进行反应的反应温度、每一次循环反应的反应温度分别为-10~150 ℃，反应压力分别为0.1~20 bar；和/或，
所述第一前驱体溶液的流量、每次通入所述液相反应器的第二前驱体溶液的流量、每一次循环反应中的含有中间产物的溶液的流量分别为0.5~10 ml/min。
5.根据权利要求1所述的氧化锌纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述乙酸乙酯、丙酮或正己烷的体积为所述包含所述产物氧化锌纳米晶的反应液的1~6倍。
6.根据权利要求1所述的氧化锌纳米晶的制备方法，其特征在于：所述氧化锌纳米晶的粒径在2~80 nm之间可调。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的氧化锌纳米晶的制备方法，其特征在于：所述第一前驱体溶液中的锌离子来源于醋酸锌、硝酸锌、氯化锌、碳酸锌中的一种或者几种的组合；和/或，
所述第一前驱体溶液的浓度为0.02~2.0 mol/l；和/或，
所述第一前驱体溶液使用的溶剂为二甲基亚砜、甲氧基乙醇、乙醇、甲醇、丙醇、丁醇、四氢呋喃中的一种或几种的组合；和/或，
所述第二前驱体溶液中的氢氧根离子来源于四甲基氢氧化铵、六次甲基四胺、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氨水中的一种或多种的组合；和/或，
所述第二前驱体溶液使用的溶剂为乙醇、甲醇、丙醇、丁醇、四氢呋喃中的一种或几种的组合；和/或，
所述第二前驱体溶液的浓度为0.05~7.5 mol/l；和/或，
所述第一前驱体溶液还包括掺杂离子，所述掺杂离子为镁、铝、钴、铜、锰、镓、镉、铅、汞、铒、铱、镱、锶、锡中的一种或几种的组合；和/或，
所述第一前驱体溶液还包括掺杂离子，所述掺杂离子的摩尔含量为0~25 %；和/或，
所述第一前驱体溶液中锌离子或/和掺杂离子的总摩尔数与所述第二前驱体溶液中的氢氧根离子的总摩尔数的比为1:0.5~4。
8.一种氧化锌纳米晶的表面修饰方法，其特征在于，所述表面修饰方法包括以下步骤：
步骤S1、采用权利要求1~7中任一项所述氧化锌纳米晶的制备方法制备所述氧化锌纳米晶；
步骤S2、使步骤S1获得的所述氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到墨水，然后将溶解有修饰剂的溶液分散到所述墨水中使得所述氧化锌纳米晶表面键合修饰剂，其中，所述修饰剂为PVP、乙醇胺、油酸、4-巯基硫醇、十六烷基苯磺酸钠、十六烷基溴化钠、3-氨基丙基-三甲氧基硅烷中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求8所述的氧化锌纳米晶的表面修饰方法，其特征在于：步骤S2中，所述墨水的浓度为10-100 mg/ml，所述溶解有修饰剂的溶液的浓度为0.1-30 mg/ml，所述溶解有修饰剂的溶液与墨水的体积比为0.001~0.5：1；和/或，所述溶解有修饰剂的溶液的溶剂为乙醇、氯仿、甲醇、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种的组合；和/或，步骤S2中，所述有机溶剂为乙醇、丙醇、氯仿、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇、丙二醇醚类、丙二醇酯类中任一种或几种的组合；和/或，步骤S2中，将所述溶解有修饰剂的溶液超声或搅拌分散到所述墨水中。
10.根据权利要求9所述的氧化锌纳米晶的表面修饰方法，其特征在于：所述超声或搅拌时间为1~60 min。
11.根据权利要求9所述的氧化锌纳米晶的表面修饰方法，其特征在于：所述表面修饰方法还包括步骤S2中，所述溶解有修饰剂的溶液加入所述墨水之后，再向所述墨水中加入乙醇胺、乙二胺中的一种或多种的组合。
12.一种金属硫化物壳层修饰的氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法，其特征在于，所述氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法包括以下步骤：
步骤A、采用权利要求1~7中任一项所述氧化锌纳米晶的制备方法制备所述氧化锌纳米晶；
步骤B、使步骤A的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含氧化锌纳米晶的墨水；
步骤C、使含有硫的阴离子的醇溶液分散到所述步骤B得到的所述墨水中，使得所述氧化锌纳米晶的表面键合含有硫的阴离子，沉降、分离，获得表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶，然后将所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶的墨水，将溶解有金属离子的醇溶液分散到该墨水中，获得核壳结构的氧化锌纳米晶，其中，核层为氧化锌纳米晶，壳层为金属硫化物。
13.根据权利要求12所述的氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤B中，所述含氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100 mg/ml，所述含有硫的阴离子的醇溶液的浓度为0.01-2.0 mol/l，所述含氧化锌纳米晶的墨水与所述含有硫的阴离子的醇溶液的体积比为1：0.05~0.5；和/或，步骤B中，所述有机溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合；和/或，所述含有硫的阴离子的醇溶液的溶质为硫化钠、硫脲、硫氢化钠、硫醇中的一种或多种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合；和/或，所述含所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100 mg/ml，所述溶解有金属离子的醇溶液的浓度为0.01-2.0 mol/l，所述含所述表面键合含有硫的阴离子的氧化锌纳米晶的墨水与所述溶解有金属离子的醇溶液的体积比为1：0.05~0.5；和/或，所述金属离子为锌、铅、钨、钼、铜、锰中的一种或多种的组合；和/或，所述溶解有金属离子的醇溶液的溶质为硝酸盐、硫酸盐、氯化物、醋酸盐中的一种或几种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合。
14.一种金属氧化物壳层修饰氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法，其特征在于，所述氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法包括以下步骤：
步骤a、采用权利要求1~7中任一项所述氧化锌纳米晶的制备方法制备所述氧化锌纳米晶；
步骤b、使步骤a的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含氧化锌纳米晶的墨水；
步骤c、使溶解有金属离子的醇溶液分散到所述步骤b得到的所述墨水中，使得所述氧化锌纳米晶的表面键合金属离子，沉降、分离，获得表面键合金属离子的氧化锌纳米晶，然后将所述表面键合金属离子的氧化锌纳米晶分散于有机溶剂中得到含所述表面键合金属离子的氧化锌纳米晶的墨水，将含有氢氧根离子的醇溶液分散到该墨水中，获得氧化锌核壳结构纳米晶，其中，核层为氧化锌纳米晶，壳层为金属氧化物；
所述金属离子为锌、铅、钛、钨、钼、铜、锰中的一种或多种的组合。
15.根据权利要求14所述的氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述含氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100 mg/ml，所述溶解有金属离子的醇溶液的浓度为0.01-2.0 mol/l，所述含氧化锌纳米晶的墨水与所述溶解有金属离子的醇溶液的体积比为1：0.05~0.5；和/或，步骤b中，所述有机溶剂为乙醇、氯仿、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇、丙二醇醚类、丙二醇酯类中任一种或几种的组合；和/或，所述溶解有金属离子的醇溶液的溶质为硝酸盐、硫酸盐、氯化物、醋酸盐、酯类有机盐中的一种或几种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合；和/或，所述含所述表面键合金属离子的氧化锌纳米晶的墨水的浓度为10-100 mg/ml，所述含有氢氧根离子的醇溶液的浓度为0.01-4.0 mol/l，所述含所述表面键合金属离子的氧化锌纳米晶的墨水与所述含有氢氧根离子的醇溶液的体积比为1：0.05~0.5；和/或，所述含有氢氧根离子的醇溶液的溶质为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的一种或多种的组合，溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、庚醇、癸醇、乙二醇、丙二醇中任一种或几种的组合。
16.一种电致发光器件，包括电子传输层或/和电子注入层，其特征在于：所述电子传输层或/和电子注入层采用权利要求1~7中任一项所述氧化锌纳米晶的制备方法制备的所述氧化锌纳米晶、权利要求8~11中任一项所述氧化锌纳米晶的表面修饰方法制备的表面修饰的氧化锌纳米晶、权利要求12~15中任一项所述氧化锌核壳结构纳米晶的制备方法制备的氧化锌核壳结构纳米晶中的一者或多者制备而成。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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