基于自主连续液滴微流控的单分散钙钛矿纳米晶大规模合成及其显示应用

《Advanced Science》：Large-Scale Synthesis of Monodispersed Perovskite Nanocrystals via Autonomous Continuous Droplet Microfluidics

本文报道了一种新型微尺度连续流动液滴合成（μ-CDFS）策略，结合两性离子配体工程，成功实现了高质量钙钛矿纳米晶（PNCs）的大规模、单分散制备。该技术通过液滴微反应器的时空分离与PNC-配体表面交叉锁定协同作用，有效抑制奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening），确保了产物单分散性（σr<14%）与高光致发光量子产率（PLQY >97%），单通道产能达0.8 g h?1。通过高通量配体筛选与阴离子交换，可实现PNCs发光波长在可见光区（453–753 nm）精准调控，所构建的液晶显示背光模组色域达标准NTSC的126%，为PNCs的规模化制备与商业化应用提供了新范式。

　　

钙钛矿纳米晶（PNCs）的规模化合成挑战与微流控解决方案

钙钛矿纳米晶（Perovskite Nanocrystals, PNCs）因其高缺陷容忍度、窄带发射和大吸收系数等优异光电特性，在照明与显示领域展现出巨大应用潜力。然而，传统烧瓶批次法（flask-based batch synthesis）在扩大反应体积时存在混合效率低、传质动力学差等问题，导致PNCs尺寸分布宽、单分散性差，难以满足产业化需求。微尺度连续流动液滴合成（microscale continuous droplet-in-flow synthesis, μ-CDFS）作为一种新兴替代策略，通过将反应体系分割为独立液滴微反应器，实现了前驱体的快速混合与过程精确控制，为PNCs的规模化、单分散制备提供了新思路。

计算流体动力学揭示微反应器优势

通过计算流体动力学模拟对比烧瓶批次法与μ-CDFS的流体行为发现，达姆科勒数（Damk?hler number, Da）是决定PNCs合成质量的关键参数。烧瓶反应器在扩大体积时（水力直径d=20 mm），混合时间延长（>2.5 s），Da>1，反应处于扩散限制区，导致PNCs光致发光量子产率（PLQY）降低至60%-90%。而μ-CDFS在微通道（d=500 μm）内通过液滴内部循环流动，将混合时间缩短至0.032 s，Da<<1，反应处于反应限制区，形成均一合成环境，使PNCs的PLQY提升至97%。

两性离子配体抑制奥斯特瓦尔德熟化

PNCs的离子晶体特性使其在粗溶液中易发生奥斯特瓦尔德熟化，导致尺寸聚焦失效。研究引入两性离子配体PEA（1-辛基-2-十二烷醇-3-磷酸乙醇胺）和PPA（1-辛基-2-十二烷醇-3-磷酸丙醇胺），通过双齿配位模式锁定PNCs表面离子。密度泛函理论计算表明，PEA在FAPbI₃表面的结合能（-5.44 eV）高于传统配体OA（-4.89 eV），且其钝化的PNCs激子表现为体相-体相（bulk-to-bulk）分布，空穴-电子重叠度（S_r）达0.86，振荡强度（f_osc）为0.0331，远高于表面缺陷态（S_r=0.05, f_osc=0.0004）。飞秒瞬态吸收光谱与时间分辨荧光谱进一步证实，PEA钝化有效抑制非辐射复合，延长激子寿命至19.4 ns，显著提升PNCs稳定性。

连续液滴微流控平台实现可见光区发光调控

μ-CDFS平台由两个功能单元构成：第一单元通过液滴反应合成绿色发光FAPbBr₃PNCs；第二单元引入PEA/PPA混合配体，并通过卤素阴离子交换实现发光颜色精准调控（453–753 nm）。高通量筛选确定PEA/PPA最佳摩尔比为1.45，所得FAPbI₃PNCs尺寸为8.5±2 nm，相对标准偏差σ_r<14%。该平台单通道产能达0.8 g h^?1，并可扩展至全无机CsPbX₃PNCs合成。

高色域显示应用验证PNCs性能优势

将绿色FAPbBr₃与红色FA_0.2Cs_0.8Pb(Br/I)₃PNCs分别分散于聚合物层，构建蓝光LED激发的新型背光模组。其电致发光光谱显示三基色窄带发射（450/526/614 nm），色域覆盖达NTSC标准的126%。在10⁴nits亮度下持续60分钟性能稳定，满足显示应用需求。组装7英寸液晶显示屏相比传统Ce:YAG荧光粉背光，色彩还原度显著提升。

结论与展望

本研究通过μ-CDFS与两性离子配体协同策略，突破了PNCs规模化合成中单分散性与稳定性的技术瓶颈，为钙钛矿材料在光电领域的商业化应用提供了可靠的材料平台与工艺基础。