共沉淀法制備Y2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換納米熒光粉

陳林，龐才良，陳麗芳，宋志鵬

共沉淀法制備Y2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換納米熒光粉

陳林1,2，龐才良1,2，陳麗芳1,2，宋志鵬2

（1. 江西省工業(yè)陶瓷重點實驗室；2. 萍鄉(xiāng)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

采用共沉淀法制備了Y2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換納米熒光粉，通過XRD、FE-SEM和FL對樣品的物相、形貌和發(fā)光性能進行了分析表征，結(jié)果表明：所得樣品為Y2SiO5:Pr3+純相，平均粒徑為50 nm左右，可將450～550nm的可見光轉(zhuǎn)換成260～400nm的近紫外光；最佳煅燒溫度為1100℃，SiO2的最佳加入量為理論量的1.2倍。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光；Y2SiO5:Pr3+；納米；共沉淀法

1 引言

上轉(zhuǎn)換(up-conversion，UC)發(fā)光是一種非線性光學(xué)過程，屬于反斯托克斯發(fā)光過程，可以將低能量或低頻率的激發(fā)光轉(zhuǎn)變成高能量或高頻率的發(fā)射光，實現(xiàn)能量或頻率的"上轉(zhuǎn)換"光致發(fā)光[1–5]。上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子(up-conversion nanoparticles，UCNPs)由于表現(xiàn)出較強的光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、較長的發(fā)光壽命，在光催化、生物應(yīng)用和太陽能電池等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]?；|(zhì)材料是影響上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性的一個重要因素，目前基質(zhì)材料一般都是氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、鹵化物等。正硅酸釔(Y2SiO5)具有高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)性能，是一種優(yōu)良的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的基質(zhì)材料[6–9]。當(dāng)前，可以將可見光轉(zhuǎn)換為紫外光的以Y2SiO5為基質(zhì)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究報道不多，早期研究的稀土摻雜Y2SiO5的上轉(zhuǎn)換發(fā)射主要在可見光區(qū)[9–12]。本文采用共沉淀法制備Y2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換納米熒光粉，實現(xiàn)了將450～550nm的可見光轉(zhuǎn)換成260～400nm的近紫外光，從而可應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，使光催化劑的光譜吸收范圍從紫外區(qū)擴展到可見光區(qū)，提高光催化性能[4,6,13–15]。

2 實驗

2.1 樣品制備

本實驗以Y2O3(AR)，Ca(NO3)2·4H2O (AR)，Pr2O3(4N)，HNO3(AR)，氣相SiO2(AR)，C6H8O7(AR)，(NH4)6Mo7O24(AR)等為原料，采用共沉淀法合成Y2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換納米熒光粉，具體實驗步驟如下：

（1）按照摩爾比Pr:Y=1:99，準(zhǔn)確稱取Pr2O3(4N)和Y2O3(AR)置于燒杯中，然后加入稀硝酸加熱至其完全溶解成混合溶液A待用；

（2）按Y2SiO5的化學(xué)計量比稱取一定量的氣相SiO2(AR)，加入預(yù)先加有5mL無水乙醇和15mL去離子水的燒杯中，再加入一定量的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，AR)，將燒杯置于超聲分散儀中超聲分散5min后倒入混合溶液A中形成混合液B待用；

（3）按混合溶液A中Y、Pr的摩爾總量的1.5倍，稱取適量的NH4HCO3(AR)，溶于5mL濃氨水中，在磁力攪拌的條件下勻速滴入混合液B反應(yīng)生成白色沉淀，滴加完成后繼續(xù)攪拌30min使反應(yīng)完成，然后將沉淀物過濾、洗滌5次后烘干。

（4）將干燥后的沉淀物置于馬弗爐中在一定溫度下煅燒1h，隨爐冷卻后即得到Y(jié)2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換納米熒光粉。

2.2 測試表征

通過X射線衍射儀(XRD，Bruker D8 Advance，Cu靶，Kα= 0.15406 nm)對所得樣品進行物相分析。采用熒光光譜儀（HitachiF-7100，150 W Xe Lamp）測試所得樣品的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜。采用熒光光譜儀(Hitachi F-4600, 150 W Xe Lamp, Scan speed: 1200 nm/min，激發(fā)狹縫2.5 nm，發(fā)射狹縫2.5 nm，電壓為400V)。采用冷場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM，HitachiSU-8010)對樣品的形貌進行分析。樣品的所有測試數(shù)據(jù)均在室溫下測得。

3 結(jié)果與討論

3.1 煅燒溫度對Y2SiO5: Pr3+發(fā)光性能的影響

圖1是在不同溫度下煅燒所得樣品的XRD圖譜。由圖1可知，當(dāng)煅燒溫度為850℃時，所得樣品的衍射峰位置、強度分布與Y2O3標(biāo)準(zhǔn)卡(PDF043-1036)相符，未發(fā)現(xiàn)Y2SiO5的衍射峰，這說明850℃煅燒所得產(chǎn)物為Y2O3，還未生成Y2SiO5晶相；當(dāng)煅燒溫度為900℃時，在2=29.33°處的Y2O3(PDF043-1036)衍射峰強度最高，然后隨著煅燒溫度升高而逐步降低，當(dāng)煅燒溫度為1100℃時已觀察不到該峰，這說明隨著煅燒溫度升高Y2O3的含量逐漸減少，到1100℃時已可忽略；當(dāng)煅燒溫度為900℃及以上時，在2=16.40°、31.02°、32.52°處出現(xiàn)了Y2SiO5(PDF052-1810)的衍射峰，且隨著煅燒溫度的升高，Y2SiO5在2=32.52°處的第一強峰的峰強度先增加后降低，煅燒溫度為1100℃時強度最高，且未發(fā)現(xiàn)雜峰，這說明1100℃煅燒所得產(chǎn)物為Y2SiO5:Pr3+的純相，且結(jié)晶度最好。

圖2是1100℃煅燒所得Y2SiO5:Pr3+的SEM照片。從照片中可以看出，所得Y2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光粉體的平均粒徑約為50nm左右，粒徑分布均勻。

圖1 不同溫度煅燒所得Y2SiO5:Pr3+的XRD圖譜

圖2 1100℃煅燒所得Y2SiO5:Pr3+的SEM照片

圖3為不同煅燒溫度下所得Y2SiO5:Pr3+的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜圖。

圖3 不同煅燒溫度煅燒所得Y2SiO5:Pr3+的光譜圖

由圖3(a)可知，Y2SiO5: Pr3+的激發(fā)光譜是位于450～550nm范圍最強峰為498nm的一個寬帶譜。由圖3(b)可知，在498nm的可見光激發(fā)下，Y2SiO5: Pr3+的發(fā)射光譜位于260～400nm范圍的紫外光區(qū)，由位于289nm和340nm的兩個寬峰組成，最強發(fā)射峰為289nm。因此，Y2SiO5: Pr3+可以將450～550nm的可見光轉(zhuǎn)換成260～400nm的紫外光。圖3中的曲線表明，隨著煅燒溫度升高，所得Y2SiO5: Pr3+的發(fā)光強度先升高后降低，當(dāng)煅燒溫度為1100℃時所得Y2SiO5: Pr3+的發(fā)光強度最高。結(jié)合圖1的XRD分析結(jié)果可知，當(dāng)煅燒溫度為1100℃時所得Y2SiO5: Pr3+的純相，結(jié)晶最好，所以其發(fā)光強度最高。因此，最佳煅燒溫度為1100℃。

3.2 SiO2加入量對Y2SiO5: Pr3+發(fā)光性能的影響

圖4是在煅燒溫度為1100℃條件下，加入不同SiO2量(理論加入量的1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍)所得Y2SiO5:Pr3+的XRD圖譜。

圖4 不同SiO2加入量所得Y2SiO5:Pr3+的XRD圖譜

由圖4可知，不同SiO2加入量所得Y2SiO5:Pr3+的衍射峰位置、強度分布均勻Y2SiO5標(biāo)準(zhǔn)卡（PDF052-1810）相吻合，未出現(xiàn)雜峰，且衍射峰的強度基本一致。這說明加入不同量的SiO2，對產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)影響不大，產(chǎn)物的均為Y2SiO5:Pr3+純相，晶化程度都很高。

圖5是在煅燒溫度為1100℃條件下，加入不同SiO2量(理論加入量的1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍)所得Y2SiO5:Pr3+的發(fā)射光譜圖。

圖5 不同SiO2加入量所得Y2SiO5:Pr3+的發(fā)射光譜圖

由圖5可知，隨著SiO2的加入量的增加，所得Y2SiO5:Pr3+的發(fā)光強度先增加后變化不明顯，當(dāng)SiO2的加入量為理論量的1.2倍時，發(fā)光強度最強，再繼續(xù)加大SiO2的加入量，發(fā)光強度變化不明顯。所以，SiO2的最佳加入量為理論量的1.2倍。

4 結(jié)論

（1）采用共沉淀法制備了平均粒徑約為50nm的Y2SiO5:Pr3+上轉(zhuǎn)換納米熒光粉，可將450～550nm的可見光轉(zhuǎn)換成260～400nm的近紫外光，最強激發(fā)峰為498nm，最強發(fā)射峰為289nm。

（2）煅燒溫度、SiO2加入量對Y2SiO5:Pr3+的發(fā)光強度有較大影響，隨著煅燒溫度升高其發(fā)光強度先增強后減弱，1100℃時發(fā)光強度最強；SiO2的加入量對Y2SiO5:Pr3+的物相純度、結(jié)晶度影響較小，但發(fā)光強度隨SiO2的加入量的增加先增加后變化不明顯，當(dāng)SiO2的加入量為理論量的1.2倍時，發(fā)光強度最強。

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Preparation of Y2SiO5:Pr3+Upconversion Nano Phosphors by Co-precipitation

CHEN Lin1,2PANG Cai-liang1,2CHEN Li-fang1,2, SONG Zhi-peng2

(1. Key laboratory of Industrial Ceramics of Jiangxi Province, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 2. School of Materials and Chemical Engineering, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

Y2SiO5:Pr3+upconversion nano phosphors were prepared by co-precipitation method. The phase, morphology and luminescence properties of the samples were characterized by XRD, FE-SEM and FL. The results showed that the obtained samples were pure Y2SiO5:Pr3+phase, the average particle size is about 50 nm, and the visible light of 450～550nm can be converted into near-ultraviolet light of 260～400nm; The optimal calcination temperature is 1100℃, and the optimal addition amount of SiO2is 1.2 times the theoretical amount.

up-conversion luminescence; Y2SiO5:Pr3+; nano; coprecipitation

2022-05-13

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（GJJ191369）

陳林(1981—)，男，湖南益陽人，副教授，碩士，研究方向：稀土發(fā)光及光催化材料。

TB321

A

2095-9249（2022）03-0046-04

〔責(zé)任編校：陳楠楠〕