稀土摻雜鋁酸鍶熒光材料的制備

1、1引言21.1稀土熒光材料的概述21.2稀土離子的發(fā)光顏色31.3熒光材料發(fā)光的主要原理31.4稀土熒光材料的制備方法 31.4.1水熱合成法31.4.2高溫固相反應法31.4.3燃燒法31.4.4共沉淀法32實驗部分42.1實驗儀器、藥品42.2實驗過程42.2.1 溶液的配置42.2.2實驗步驟43結果與討論53.1水熱合成制備稀土熒光材料53.2燃燒法制備稀土熒光材料64實驗結論8參考文獻8致謝9。稀土摻雜鋁酸鍶熒光材料的制備陳曉娟指導老師：陳志勝摘要 目的：制備稀土摻雜鋁酸鍶熒光材料方法：采用水熱合成與共沉淀法結合法和燃燒法。水熱合成與共沉淀結合法：硝酸鋁和鋁酸鍶的混合溶液中加入不 同

2、的兩種或兩種以上的稀土元素硝酸鹽溶液，以氨水為沉淀劑調節(jié)溶液的pH值，將產物沉淀后放入水熱反應釜中140 C反應12 h，使反應充分并沉淀完全。燃燒法：硝酸鋁和硝酸鍶的混合液加入不同的稀土元素的硝酸鹽溶液，再加入適量的 助溶劑硼酸和尿素，在 600 C的馬弗爐中點燃 3 5 min 后，得到粉體。本實驗 利用鑭（La）、釹（Nd）、釤（Sm）、釔（Y）作為激活劑和輔助激活齊購結論：不同 稀土元素制備的熒光材料發(fā)光的顏色不同，焙燒溫度對熒光材料發(fā)光有較大影響， 不同方法制備的熒光材料發(fā)光有所不同。關鍵詞 共沉淀法；燃燒法；稀土；熒光材料1引言1.1稀土熒光材料的概述一種能吸收光的能量，并且吸收后

3、可以將光能轉化為光輻射的材料，這種 材料稱做熒光材料。無機固體熒光材料分為摻雜材料和純材料兩種。基質本身就 可以發(fā)光的材料熒光材料叫做純材料，但是此種純材料在自然界存量稀少。摻雜 稀土的熒光材料是生活中比較常見的，必需摻雜一些必須的“雜質”，摻雜的這些“雜質”會形成發(fā)光中心存在基質的晶格中，進而可使材料發(fā)光。稀土離子具 有極其豐富的電子能級，尤其存在 4f軌道的電子構型2，該軌道可為不同能級 的躍遷提供便利的條件，產生多種特征的發(fā)光能力。采用稀土及其化合物作為激 活劑、基質、敏化劑、共激活劑與摻雜劑的熒光材料，一般都叫做稀土發(fā)光材料 2。通常人們把發(fā)光材料分為一下幾類見表1表1按激發(fā)方式分類發(fā)

4、光材料種類名稱激發(fā)方式電致發(fā)光氣體放電或固體受電場作用光致發(fā)光光的照射X射線發(fā)光X射線的照射陰極射線發(fā)光高能電子束的轟擊放射線發(fā)光核輻射的照射化學發(fā)光化學反應生物發(fā)光生物過程摩擦發(fā)光機械壓力稀土熒光材料優(yōu)點有：1）發(fā)光譜帶較窄，發(fā)光顏色較純。2）吸收光能的力相對來說很強，對于光能的轉換效率很高3）發(fā)射波長分布區(qū)域寬4）性質穩(wěn)定，對于功率較大的高能輻射、電子束和都有極強的承受能力 。 正是由于稀土熒光材料具有以上優(yōu)點， 使得稀土熒光材料在生產、生活中應用范圍越來越廣，在許多新興領域如：信息傳播、X射線增感屏、太陽能光電轉換等領域均有應用。1.2稀土離子的顏色稀土元素包括鈧(Sc)和釔(Y)和鑭系

5、元素4。鑭系稀土離子的顏色呈現(xiàn)非常顯 著的對稱性，4f電子層沒有電子的鑭離子和 4f層電子全滿的镥離子以及4f層 電子半充滿的釓離子均為無色，其他稀土離子的顏色以釓離子為對稱軸，其顏色 具體為見表2：表2稀土離子的顏色稀土元素鑭鈰錯釹钷釤銪釓鋱鏑欽鉺銩鐿镥發(fā)光顏色無無蘋紫粉黃淺無淺黃淺玫淺無無果紅紅紅紅紅瑰綠紅1.3熒光材料發(fā)光的主要原理紫外線的光子能量較高，可引發(fā)熒光材料中原子的核外電子由基態(tài)激發(fā)躍遷 至激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)極不穩(wěn)定，電子具有極強的從激發(fā)態(tài)回歸至基態(tài)的趨勢，從而釋放出光子，由于激發(fā)態(tài)與基態(tài)間存在有其他能級， 所以釋放的光子能量在可 見光的范圍內，于是肉眼便可觀察到熒光材料釋放的熒

6、光。1.4稀土熒光材料的制備方法對于熒光材料的制備有多種方法如：水熱合成法、高溫固相反應法、燃燒 法和化學沉淀法等。1.4.1水熱合成法水熱合成是將制備原料置于高壓水熱反應釜中，反應體系是水溶液，在接近 或高于水溶液臨界溫度條件下，產生高壓環(huán)境，使得制備產物具有特殊性能的一 種材料制備方法。利用水熱合成法合成熒光材料時，合成的溫度較低、合成條件 溫和、溶液中含氧量小、產物缺陷不明顯、反應體系比較穩(wěn)定，但是材料的發(fā)光 亮度比較低。1.4.2高溫固相反應法高溫固相反應法是稀土熒光材料制備和合成的一種比較傳統(tǒng)和應用最早和 最多的一種方法。其主要操作過程是：按一定質量比的原料、助溶劑充分攪拌混 合、研

7、磨后，再一定溫度、氣氛條件下進行灼燒一段時間。其中灼燒過程是形成 發(fā)光中心的關鍵，是促使基質組分間發(fā)生反應和形成一定晶格結構固液體的重要 步驟。而當鍛燒溫度過高時，往往導致所得晶粒大小不均，同時也會提高設備 要求，能耗過大，所以一般是在配料中加入一定量的助溶劑，使激活劑更易進入基質內部，進而達到降低灼燒溫度的效果。1.4.3燃燒法燃燒法是一種方便快捷、節(jié)能的制備熒光材料的方法，它是利用原料的燃燒 合成熒光材料的一種方法。燃燒法通常在硝酸鹽溶液中加入一定量的燃料如尿 素、甘氨酸等，燃料在硝酸鹽溶液中溶解后，立即放入已預熱的馬弗爐中，溶液 很快便會燃燒，燃燒結束既得產物。燃料用量和爐溫是此法中影響

8、熒光材料的發(fā) 光性能的主要因素。爐溫太低，溫度不足以點燃原料，溫度過高，將對發(fā)光亮度 產生影響。另外，燃料用量決定著原料燃燒所產生火焰的溫度，并導致所得熒光材料發(fā)光性能不同。1.4.4共沉淀法共沉淀法是運用溶度積原理制備熒光材料的一種方法。共沉淀法根據(jù)溶液中離子各離子溶度積不同，經(jīng)選用適當沉淀劑 (如0H或在適宜條件下使溶液發(fā) 生水解后，形成沉淀物析出，再經(jīng)熱分解脫水得到氧化態(tài)產物。共沉淀法由單相 共沉淀法和混合物共沉淀法兩種方法9 o本論文采用燃燒法、水熱合成法與共沉淀法相互結合法兩種方法制備熒光材料，水熱合成法與共沉淀法相互結合法中采用氨水作為沉淀劑，尿素作為沉淀緩沖劑。2實驗部分2.1實

9、驗儀器、藥品表3實驗主要儀器序號儀器名稱型號廠商1干燥器DZF 6050上海一恒科學儀器有限公司2箱式電阻爐KSV 8D 13上海賀德實驗設備廠3恒溫攪拌器DF- 101S鄭州長城科工貿有限公司4水熱合成反應釜YH150上海貝侖儀器設備有限公司5四用紫外分析儀ZF 8上海嘉鵬科技有限公司表4實驗主要試劑序號試劑名稱廠商純度1硝酸鋁廣州化學試劑廠分析純2硝酸鍶廬州化學試劑廠分析純3氧化鑭天津科密歐化學試劑開發(fā)中心分析純4氧化釤天津科密歐化學試劑開發(fā)中心分析純5氧化釔天津市光復精細化工研究所分析純6氧化釹天津科密歐化學試劑開發(fā)中心分析純7硼酸天津市廣成化學試劑有限公司分析純8尿素廣州化學試劑廠分析

10、純9去離子水實驗室自制分析純2.2實驗過程2.2.1溶液的配置(1) 稀土硝酸鹽水溶液的配制60 C水浴條件下往0.1 mol/L La(N03)3水溶液中逐滴滴加濃 HN0至氧化鑭完 全溶解，升溫至80 C,蒸出過量HN0和濃縮溶液直至溶液變粘稠，然后加入 適量的去離子水溶解冷卻，轉至100mL容量瓶中，定容待用。0.1mol/LY(N03)3、0.1 mol/L Nd(NQ)3水溶液、0.1 mol/L Sm(N0) 3水溶液、水溶液的配置方法相同。(2) 1 mol/L A1(N03)3水溶液的配制由37.513 g九水合硝酸鋁與一定量去離子水配得(100mL容量瓶)。(3) 1 mol

11、/L Sr(N0 3) 2的水溶液配制:由21.163g Sr(N0 3)2固體與一定量去離子水配得(100mL容量瓶)。2.2.2實驗步驟水熱合成與共沉淀相互結合法：將 2.88 g(24 mol)尿素放入潔凈的燒杯中，加入20 mL去離子水，攪拌溶解后，依次加入一定量濃度均為1.0 mol/L的Al(N0 3) 3溶液、Sr(N03)2溶液和一定量濃度均為0.1 mol/L 稀土硝酸鹽溶液，攪 拌30 min后，緩緩滴加濃氨水，調節(jié)pH = 8，用磁力攪拌器劇烈攪拌2 h 后, 轉入水熱反應釜中，置于140 C恒溫干燥箱中反應12 h，冷卻、抽濾，去離子 水洗滌23次，再于80 C干燥12

12、 h,加入固體硼酸于瑪瑙研缽中充分研磨，轉 入石英坩堝并加入一定量活性炭，800 C馬弗爐內燒結2 h,即制得熒光粉體o 實驗過程中，調節(jié)pH值時，一定要準確，pH過大或過小都會對實驗結果造成較 大影響。燃燒法：將AI(N03)3溶液、Sr(N03)2溶液和稀土硝酸鹽溶液按一定的比例混 合，加入適量的尿素和硼酸，水浴加熱溶解后，迅速移入預先加熱至約600 C(500700 C)的馬弗爐中。隨著水分不斷的加熱揮發(fā)，3到5 min后作為氧化劑的硝酸鹽和作為還原劑的尿素發(fā)生激烈的燃燒反應，放出大量氣體，進而燃燒，燃燒的過程僅持續(xù)幾十秒，燃燒后得到的接近白色泡沫狀產物。冷卻后，用瑪瑙研缽研細，既得產品

13、10 o3結果與討論3.1水熱合成制備稀土熒光材料(1)鍶鋁物質的量比為1:2時，摻雜兩種不同稀土元素的實驗試劑用量見 表5,實驗結果見圖1:表5實驗試劑用量實驗Al(N03)3Sr(N03)2La(N03)3Nd(N03)3Sm(N03)3組數(shù)用量(ml)用量(ml)用量(ml)用量(ml )用量(ml)116833216833316833所有實驗條件相同，加入鑭、釹、釤任意兩種不同的稀土元素，第1組、第2組實驗產物粉體為白色，不發(fā)光，第 3組實驗粉體為白色，發(fā)淡紅色熒光。說 明：鍶鋁物質的量比為1:2時，摻雜鑭和釤可以制備出粉紅色熒光材料。23圖1摻雜鑭釹釤中任意兩種等量稀土元素的實驗結果

14、(2)鍶鋁物質的量比為 實驗結果見圖2:3:2時摻雜不同稀土元素的實驗試劑用量見表6，表6實驗試劑用量實驗Al(N0 3)3組數(shù)用量(ml)Sr(N0 3) 2La(N03)3Nd(NQ)3Sm(NQ)3用量(ml)用量(ml)用量(ml )用量(ml)612123123所有實驗條件相同，加入鑭、釹、釤任意兩種不同的稀土元素，第4組、第5組實驗產物粉體為淺黃色，發(fā)粉紅色光，第 6組實驗粉體為白色，不發(fā)光。說 明：鍶鋁體積比為2:3的條件下，摻雜稀土元素鑭和釤可制備亮度較強的紅色熒 光材料。45圖2摻雜鑭釹釤中任意兩種等量稀土元素的實驗結果3.2燃燒法制備稀土熒光材料（1）鍶鋁物質的量比為1:2

15、的時，摻雜兩種不同稀土元素及其用量詳見表7,實驗結果見圖3：表7實驗試劑用量實驗Al(N0 3)3Sr(N03)2La(N03)3Nd(N0)3Sm(NQ) 3Y(N03)3組數(shù)用量（ml用量（ml用量（ml用量（ml用量（ml用量（ml12111221113211142111當硼酸、尿素的量一定時，加入等量的不同兩種稀土元素，試驗結果第1、2、3、4實驗產物粉體為白色，均發(fā)白光，但是發(fā)光亮度不同，亮度排序為： 4>3>2>1。實驗顯示第4組實驗得到的熒光產品亮度最好，本組實驗摻雜的稀土元素為釔和鑭。因此，鍶鋁物質的量比為 1: 2時，摻雜釔和鑭這兩種稀土元素 在制備熒光材料

16、中亮度組合最好。圖3摻雜鑭釹釤釔中任意兩種等量稀土元素的實驗結果（2）鍶鋁物質的量比為1:2時摻雜三種不同稀土熒光材料的實驗試劑用量 見表8,實驗結果見圖4：表8實驗試劑用量實驗AI(NO 3)3Sr(NO 3) 2La(N03)3Nd(NQ) 3Sm(NQ) 3Y(N03)3組數(shù)用量（ml）用量（ml）用量（ml）用量（ml ）用量（ml）用量（ml）521111621111721111當硼酸、尿素的量一定時，加入等量的不同三種稀土元素，第5組、第6組、第7組實驗產物粉體為均為白色，均發(fā)白光，但是發(fā)光亮度不同，亮度排序 為：5 > 7 > 6。說明：鍶鋁物質的比量為1:2時，摻雜

17、釹、釤、釔時材料的發(fā) 光亮度比較強。圖4摻雜鑭釹釤中任意三種等量稀土元素的實驗結果（3）鍶鋁物質的量比為1:2時摻雜兩種不同稀土元素且用量不同熒光材料 的實驗試劑用量見表9,實驗結果見圖5：表9實驗試劑用量實驗Al(NO 3) 3Sr(N03)2Nd(N0)3Sm(NO) 3Y(N03) 3組數(shù)用量（ml用量（ml用量（ml ）用量（ml用量（ml）221113211182110109211010當硼酸、尿素的量一定時，加入相同的的稀土元素但量不同時：a.加入釤和 釔，第2組實驗，產物粉體為白色，發(fā)亮白色光；第8組實驗，上層發(fā)淡黃色光， 下層發(fā)粉色光 粉體微黃。b.加入釹和釔，第3組實驗，產物

18、粉體為白色，發(fā)白 光；第9組實驗上層發(fā)淡綠色光，粉體淡黃色。下層發(fā)淡藍色光，粉體白色。因 此加入稀土兀素的量不同，對熒光材料的發(fā)光顏色有很大影響。 說明：在相同條 件下，稀土加入的量的多少直接影響著稀土熒光材料發(fā)光顏色和亮度。在實驗9的基礎上增加尿素的量時，材料發(fā)亮黃色熒光，粉體變?yōu)榘咨Ｒ?此，尿素的量不同會導致熒光材料的顏色發(fā)生變化。在燃燒過程中，如果加入溶 液的量過多會導致燃燒不充分，使坩堝里的的產品分為兩層，兩層的粉體顏色和 發(fā)光都不同，上層的粉體顏色深，發(fā)光更亮，這也是充分燃燒的一個表現(xiàn)。所以， 在制備熒光材料時，燃料的量必須足夠，尿素與硝酸溶液的質量比為2:1時，產 物的發(fā)光亮度最

19、高。圖5摻雜釹釤釔相同兩種稀土元素用量不同的實驗結果4結論水熱合成與共沉淀結合法中：在鋁酸鍶發(fā)光材料中摻雜稀土鑭和釤可以制備 亮度較強的紅色發(fā)光材料。利用燃燒法制備鋁酸鍶發(fā)光材料，加入稀土元素鑭和 釔時發(fā)光材料亮度最強，并且稀土元素加入的量會影響熒光的顏色。用燃燒法制 備熒光材料比用水熱合成和共沉淀結合法要方便快捷，而且熒光的亮度更強，顏色更多元化，但是燃燒法所得的產物易吸潮結塊?？偟膩碚f利用燃燒法制備熒光 材料效果更佳。參考文獻1 白木子蔭.稀土發(fā)光材料的發(fā)光原理與應用J.燈與照明.2002,26(6).48-512 江祖成，蔡汝秀，張華山.稀土元索分析化學J.北京：科學出版社,2000,1

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21、8,0510 王麗影.稀土摻雜鋁酸鍶長余輝發(fā)光材料的制備及性能D.湖南；湖南大學.2011,05The Preparati on Of Rare Earth Doped Stron tium Alumin ateFluoresce nt MaterialChen xiaojua nPick to objective:preparati on of rare earth doped stron tium alu min atefluoresce nt material method: using hydrothermal syn thesis and in comb in ati on with

22、 precipitati on method and combusti on method. Hydrothermal syn thesis and comb in atio n with precipitati on:a mixture of alu minum n itrateand strontium aluminate solution to join two or more than two different rare earth nitratesolution,with ammonia as precipitantadjust the pH value ofsolution,product will precipitate in the thermal water kettle after 140 °Cfor 12 h reacti on, precipitati on react ion fully and completely. Burning method: alumi num n