稀土钨酸盐的可控水热合成、结构表征及发光性能

来源 :东北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoshen1984
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本工作以稀土钨酸盐为研究对象,就其可控水热合成、晶体结构及上/下转换荧光粉的发光性能等进行了系统深入研究。通过在较大范围内调控溶液pH(4~13)和n([WO4]2-:n(La3+)(0.5~3),明确了实验参数对水热及煅烧产物化学组成的影响规律,并从溶液化学的角度进行了阐释;通过煅烧水热前驱体制备出了四种纯相钨酸镧,对比研究了其物相形成过程、晶体结构及Eu3+掺杂荧光粉的发光性能。成功将复合钨酸盐NaRE(WO4)2的合成扩展至全谱镧系元素(RE=La~Lu,不含放射性Pm)及Y,明确了镧系收缩对晶体结构、物相和形貌的本征影响规律,并以NaLa(WO4)2为例考察了结晶动力学。探讨了酒石酸根对NaRE(WO4)2形貌的调控作用及其作用机理。水热合成出了 NaLuW2O8·2H2O和NaLaW207(OH)2·H2O两种新型水合钨酸盐,并采用Rietveld技术确定了其晶体结构。研究了 NaRE(WO4)2(RE=Gd、Y、Lu)的自激发发光性能及其稀土激活离子掺杂荧光粉的上/下转换发光性能。主要创新性成果如下:(1)发现溶液pH(4~13)和初始n([WO4]2-):n(La3+)(0.5~3)显著影响水热产物的相组成和化学组成,且产物的平均n(W):n(La)随pH降低或初始n([WO4]2-):n(La3+)升高而增大。确定了 NaLa(WO4)2水热结晶的最佳pH值为8、n([WO4]2-):n(La3+)的最低值为3。通过煅烧水热前驱体获得了 La2W3O12、La2W2O9、La14W8045和La6W2015四种纯相钨酸镧,发现Eu3+在其中的激发和发光性能受基质晶格显著影响,且La2W3012:Eu的综合荧光性能最优。(2)在 n([WO4]2-):n(RE3+)=3:1、pH=8、200℃和 24h 的水热条件下,发现产物的相组成、形貌及红外吸收性能等与稀土种类(离子半径)密切相关。较大半径RE3+的产物为NaRE(WO4)2(RE=La~Dy及Y)而较小半径RE3+的产物为NaREW2O8·2H2O(RE=Er~Lu)或二者的混合物(RE=Ho)。发现RE=Ho~Lu的水热产物经600℃煅烧均转化为NaRE(WO4)2。明确了 NaLa(WO4)2的水热结晶需经历非晶物质和晶态NaLaW2O7(OH)2(H2O)的中间过程,且该晶态物质经350℃煅烧即生成纯相NaLa(WO4)2。NaEu(WO4)2、NaTb(WO4)2和NaDy(WO4)2在各自最佳激发波长下分别呈现红光(616 nm)、绿光(546 nm)和黄光(576 nm)主发射,其荧光寿命分别约为0.91 ms、0.88 ms和5.42μs。酒石酸根离子可通过螯合和表面吸附作用调控NaLa(WO4)2形貌,且随RE3+半径减小,螯合作用逐渐减弱而表面吸附逐渐增强,从而促进晶体的定向生长。(3)Na2WO4与Lu(NO3)3和La(NO3)3经水热反应分别生成了一种新型钨酸盐,经TG/DTA、FTIR、ICP等分析和Rietveld晶体结构解析得出其分别为NaLuW208-2H2O水合钨酸盐和NaLaW207(OH)2·H2O水合碱式钨酸盐。确定了 NaLuW2O8·2H2O属正交晶系(空间群为 Cmmm),其晶体结构由…-(NaO6)-(NaO6)-…层和…-(LuO4(H2O)2WO5)-(LuO4(H2O)2WO5)-…层交替堆垛而成;明确了 NaLaW207(OH)2·H2O属三斜晶系(空间群为P-1),其中…-(W1O6)-(W1O6)-(W2O6)-(W2O6)-(W1O6)-(W1O6)-…链和…-(LaO9)-(LaO9)-…链通过NaO6八面体以共边方式交替相连而在ab面内形成二维层状,再沿c轴交替堆垛成三维网状结构。与NaLuW2O8·2H2O相比,NaLaW207(OH)2·H2O因含有较难脱除的羟基而具有较高的热分解温度,且二者的煅烧产物均为纯相NaRE(WO4)2。(4)分析了 NaRE(WO4)2(RE=La~Lu及Y)系列化合物的带隙能,发现其值与稀土元素种类相关,且RE3+半径较小时(Ho3+~Lu3+)带隙能相近且能隙较大。NaGd(WO4)2、NaY(WO4)2和NaLu(WO4)2在紫外光激发下均表现出钨酸根基团的蓝色本征发光。利用钨酸根发射带与Eu3+离子激发带的部分重叠,在紫外光激发下实现了Na(Y1-xEux)(WO4)2(x=0.001~0.01)荧光粉的蓝~红荧光色调控,分析了具体的能量过程,并在x=0.4时获得了白色荧光。经600℃煅烧正交相NaLuW2O8·2H2O:Yb/Ln前驱体获得了四方相NaLu(WO4)2:Yb/Ln(Ln=Ho、Er、Tm)上、下转换荧光粉。在978 nm近红外激光泵浦下,发现Yb3+可有效敏化Ho3+、Er3+和Tm3+在NaLu(WO4)2晶格中的上转换发光,明确了各体系上转换发光的过程和机理;发现Ho3+、Er3+和Tm3+在各自最佳激发波长激发下分别呈现良好的绿色(545 nm)、绿色(500~575 nm)和蓝色(455 nm)下转换荧光发射。利用Dieke能级图分析了上、下转换发光过程的区别及三种激活离子下转换发射光谱的特征。
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