微流控技术构筑分子型胶体光子晶体微珠及其在光催化领域的应用研究

This project aims at the creation of molecular-analogue colloidal photonic crystal (CPC) supraballs with photocatalytic function via emerging droplet-based microfluidic technique. First of all, it starts from the in-situ synthesis of functional inorganic nanoparticles and monodispersed core-shell polymeric microspheres as well as their precise combination. Then, the micro-channel architectures in microfluidic devices are tailored and the microfluidic flow behavior is manipulated to develop new route to microfluidic-constructed molecular-analogue fluorescent CPC supraball material, thus investigating the influence of micro-channel architectures and external fields on configuration of supraballs. Through these efforts, we will reveal the formation mechanism of inorganic nanoparticles in the shell of polymeric microspheres and the coupling process of two building blocks, i.e. QDs and polymeric microspheres, and the evolution rule of material performance macroscopically as well. Additionally, we will explore the impact of polymeric microspheres loaded with inorganic nanoparticles on refractive index and lattice parameters of CPC supraballs and also its intrinsic generation mechanism. More importantly, taking advantages of the intercoordination between small dimension effects of inorganic nanoparticles and band gap structures of photonic crystals, CPC supraball materials are capable of being applied in new photocatalytic field.

本项目以微流控液滴技术构筑可用于光催化领域并具有分子结构形貌的胶体光子晶体微珠为目标，以原位生成法制备功能无机纳米粒子和单分散核壳型聚合物微球以及两者间的精密复合入手，通过设计微流控设备中微通道结构以及调节微流体的流动行为，发展微流体液滴技术构筑分子型胶体光子晶体复合微珠材料的新方法，考察微型通道结构、外加力场等因素与微珠构型间的影响关系。揭示无机纳米粒子在聚合物微球壳层中的生成机理，无机纳米粒子与亚微米聚合物微球两结构单元间的复合过程与宏观材料性能的演变规律。探索负载无机纳米粒子的聚合物微球对胶体光子晶体微珠材料的折射率、晶体参数等性能的变化规律及成因机理。利用无机纳米粒子的小尺寸效应与光子晶体的带隙结构的相互协调机制，开发胶体光子晶体微珠在光催化领域的新应用。

光子晶体因其独特的结构特点和光学特性，在控制自发辐射和制造新型光电器件方面具有良好的应用前景。聚合物基水粘胶复合材料因其固有的环保和可降解特性也备受关注。如何通过适当的制备技术将光子晶体与功能性水凝胶相结合，赋予功能性水凝胶多彩的光子晶体结构色，具有十分重要的意义。两者性能的集成在新一代光学器件、传感、电子显示等领域有着广阔的应用前景。基于此，本项目瞄准聚合物基纳米复合材料制备过程的工艺-结构-性能三者之间的构效关系，以水凝胶聚合物材料以及单分散胶体粒子为组装单元，利用微流控液滴模板技术工艺的过程控制为功能化光学微珠材料的制备与应用提供一条可借鉴的实用化路径。.首先系统研究了核壳型Fe3O4@SiO2胶体纳米粒子的合成工艺，制备了一系列粒径可控的磁性纳米粒子，此类粒子具有超顺磁性，可在磁场诱导下实现瞬时可逆组装一维光子晶体结构材料。系统研究了磁场诱导一维光子晶体的衍射规律，并且发现通过胶体粒径、磁场强度的调节都可实现光子晶体材料全光谱结构色的可控性。.开发了一种制备光学性质稳定的自愈合胶体光子晶体水凝胶材料的新方法。基于瞬时磁响应性组装一步法将一维Fe3O4@SiO2光子晶体嵌入到聚（1-乙烯基-2-吡咯烷酮-co-丙烯酰胺）水凝胶中，系统考察了负荷光子晶体水凝胶材料的孔结构、一维光子晶体链结构以及光谱信号的均一性。通过大量的实验证实该材料具有优异的自愈合性能，并且表现出良好的韧性、弹性以及出色的机械性能，为制造具有更长功能寿命的结构色胶体光子晶体水凝胶提供了新的见解以拓展其实际应用。.基于微流体液滴模板技术，利用水凝胶材料的可逆体积相变行为将半导体纳米晶嵌入胶体光子，实现了荧光与光子帯隙集成一体化的功能性光子晶体复合材料，并探索了复合材料在传感、催化等领域的实际应用。此外采用原位合成的方法制备了Cu2O/g-C3N4光催化复合纳米材料，Cu2O与g-C3N4两者间的价带和导带差可以大大加快电子和空穴在两者之间的转移速度，从而有效提升了复合材料的光催化性能。