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南开大学在银纳米线的大规模、高效纯化技术上取得关键突破

来源:中国新闻网   更新时间:2018-12-17 11:18:36    

  银纳米线是一种具有纳米尺度一维结构的金属线,被视为最有可能取代传统透明电极材料,构建柔性透明电极,为实现可弯折OLED显示、触摸屏等新一代可穿戴电子器件提供了可能。近日,南开大学材料学院梁嘉杰教授课题组发明了一种高效、快捷的银纳米线提纯方法,实现了大规模、快速有效的银纳米线的纯化,极大地提高银纳米线油墨的质量,有效的降低生产成本。相关成果发表于《先进功能材料》,梁嘉杰为通讯作者。

  银纳米线除了具有金属银优异的导电性外,还由于纳米级别的尺寸效应,具有优异的透光性以及耐弯折性。因此被视为取代传统透明电极材料、制作新一代可穿戴电子器件的有效材料,并已有大量的研究将其应用于柔性OLED、薄膜太阳能电池等。此外其在导电胶、导热胶以及印刷电子线路等方面的应用中也具有突出的优势。但是目前,银纳米线的生产成本及其质量是阻碍其实现柔性透明电极商品化的主要障碍之一。

  “银纳米线透明电极的性能及生产成本一般由三个过程决定:银纳米线的合成,纳米线的纯化,以及纳米线油墨的涂布。而其中,纳米线的纯化是控制纳米线油墨的生产时间以及油墨质量的关键步骤。”梁嘉杰介绍,传统的银纳米线提纯技术和方法,包括多步离心过滤、纤维膜过滤、倾滤以及错流过滤等,都具有操作繁琐,步骤繁多,纯化效率低,需要耗费大量的时间及溶剂等问题,并且容易产生固体沉淀,极大影响印刷油墨的制备以及透明电极的性能。而引起这些问题的根本原因是具有大长径比的银纳米线的很容易发生团聚。梁嘉杰课题组通过长时间的实验观察发现,如何使得银纳米线在纯化过程中一直保持运动状态是解决该团聚问题的关键。

  基于此,该课题组创新性地利用动态搅拌诱导离心过滤的策略,结合传统膜过滤以及离心过滤的优点,并创新性的引入垂直滤壁技术,构建了一种动态搅拌诱导离心过滤分离的银纳米线的提纯装置。该技术的特点包括:通过可控的搅拌产生可控的离心力;通过离心力产生正压过滤纳米线中的各种有机无机杂质;通过动态搅拌以及垂直滤壁可有效防止纳米线的团聚,保证纳米线的均匀分散;通过一个装置可同时实现高效的纳米线纯化以及溶剂置换、浓缩等纳米线油墨配置的过程。此外,梁嘉杰课题组还建立了一套理论模型来指导和优化该动态过滤技术的纯化效率。

  利用该技术纯化得到的银纳米线油墨涂布制备得到的银纳米线透明电极,无需复杂的高温煅烧等后处理过程,透光率可高达99.2%;并且,根据纯化量的不同,整个动态纯化过程耗时只需几十分钟到几个小时,跟传统的纯化技术动不动就耗时几十个小时甚至几天时间相比,纯化效率有了极大的提升。

  “我们还通过装置的放大来验证该动态过滤技术在大规模生产上的可行性,有望近期在纳米线的工业级别纯化上取得重要的突破。”梁嘉杰说。(记者 张道正 通讯员 马超)

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