近年来，卤化铅钙钛矿在可穿戴光电子学领域展示了广阔的应用潜力，然而其实际应用的障碍在于它们在光、水分和温度应力下的不稳定性、有害的铅离子泄漏以及大规模批高生产率下均匀发光纺织品的制造存在困难。
为了克服这些障碍，中山大学吴武强教授团队联合昆士兰大学王连洲教授团队，通过简易静电纺丝技术制备了高通量、低成本、超稳定的大面积(> 375 cm2)钙钛矿复合纤维编品(PLT)。该钙钛矿纺织品展现了明亮且窄带光致发光(光致发光量子产率(PLQY)49.7 %，FWHM <17 nm)，室温条件下的T50发光时长可达14193小时，展示了优异的水稳定性(浸泡水时长> 3300 h)，耐强紫外线照射，高温耐受性(高达250°C)和压力激增(30MPa)。防水的钙钛矿纺织品经受住了强烈的水冲刷，没有任何可检测到的铅离子浸出。此外，该发光纺织品的成本为~0.05 $/cm2，显示了低成本大规模生产的前景，这些低成本和可扩展的PLT可以满足在海上救援中的突破性应用。
与之前关于聚合物封装钙钛矿复合材料的研究不同，在本研究采用了一种简单的单喷嘴静电纺丝方法，可以直接、连续地大规模生产PLT，生产率可以达到~1500 cm2/h。在该体系中，钙钛矿被包裹在聚合物、环糊精超分子和氟化疏水剂的新型纤维中，其中疏水性树脂聚合物作为载体加载钙钛矿纳米颗粒，提供防水性能的同时并确保其机械灵活性。具有主体结构的桶状环糊精分子(HPβCD)，其沿内外腔壁具有多齿羟基，可以与钙钛矿强烈相互作用形成稳定的主客体复合物，同时钝化钙钛矿的晶体缺陷。而全氟硅烷(PFOS)作为一种分离的纳米相成分加入到CsPbBr3@HPβCD纤维复合材料中，一方面，极疏水的PFOS可以自发地完全覆盖纤维的外表面。另一方面，疏水PFOS分子中许多氟(F)原子可以与HPβCD中的-OH基团形成强大的氢键，从而构建厚度约为50 nm保护层，来增强CsPbBr3@HPβCD复合纤维的防水性。
图1. PTL的制备过程示意图和形态学表征。图片来源：Nature Communications
考虑到海洋环境和真实环境是复杂和动态的(如水流、pH值和深度)，我们特意研究了PTL的抗酸/碱性，并在隔离毒性成分方面评估了其安全性和可靠性。CsPbBr3@HPβCD@PFOS纺织品在pH = 1.2(PLQY = 31.4%)和pH = 12.8(PLQY = 36.3%)的水中浸泡24小时后，保存了其PLQY的~63-73 %。在该研究中，PTL的在水中的高压耐受性也进行了评估，其表明当救援者或者潜水仪器潜入深海时，在高压30 MPa 挤压(与海底深度相关)下，相当于3000米的深度时，PLT仍然保持了其初始PL强度的38%，FWHM略有增大(图2a)。此外，CsPbBr3@HPβCD@PFOS的PLT显示出很强的抗水性，即使在浸泡3260 h后(图2b)，依旧保持 85% 的荧光强度。
利用自制的动态水装置模拟了570 mL/ min快速流速下冲刷下PLT的真实情况，结果显示PLT可以在连续发出绿光(图2c)。电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测量结果表明，在动态水冲刷的3300小时过程中，泄露的Pb2+浓度仅仅为3.94 ppt，这低于世界卫生组织规定的安全饮用水(<0.01 ppm)的Pb2+浓度 8个数量级。这种抑制铅离子泄漏的优异能力可以归因于HPβCD团簇对重金属离子的原位封装和有效的化学吸附。此外，聚合物基质和外层的PFOS物理屏障可以有效地将Pb2+离子固定在树脂/纳米硅烷复合材料上。
图2. PLT在海上救援中的演示 图片来源：Nature Communications
这项工作，将促进下一代智能和可穿戴光电子领域的发光纺织品的大规模生产和实际应用。这一成果发表在《Nature Communications》上，文章第一作者是中山大学博士后田甜博士，博士生杨梅芳，王连洲教授和吴武强教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委(22005355)，广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515010282)和中山大学基础科研业务费基金(22qntd2305)的资助支持。
责任编辑：周末
