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稀土掺杂红色长余辉发光材料的研究进展

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第37卷第1期 化工技术与开发 Vo1.37 No.1 2008年1月 Technology&Development of Chemical Industry Jan.2oo8 雪国登图 稀土掺杂红色长余辉发光材料的研究进展 秦英德,王可嘉,邹旋,张伟 (成都理工大学材料科学技术研究所,四川成都610059) 摘要:介绍了稀土掺杂红色长余辉发光材料的研究进展,总结了硫化物、硫氧化物、钛酸盐等基质体系的红 色长余辉发光机制。介绍了传统的高温固相法以及溶胶一凝胶法、燃烧法等稀土红色长余辉材料的制备技术。提 出了对红色长余辉材料今后发展的看法。 关键词:红色长余辉;发光材料;发光机制;制备方法 中图分类号:0 482.31 TG 381 文献标识码:A 文章编号:1671—9905(2008)01—0022—04 稀土长余辉发光材料是一种新型节能环保材 长余辉发光材料按基质分类主要有以下几类。 料,它能在吸收太阳光或灯光的能量后,将部分能量 1.1碱土金属硫化物体系 存储起来,然后再缓慢地把存储的能量以可见光的 国内外最早研究的红色长余辉材料是碱土金属 形式释放出来。这一特性可广泛应用于弱光照明、 硫化物体系,它是目前研究最深入、应用最广泛的红 应急指示、建筑装饰和工艺美术等领域l1 J,近年来 色长余辉发光材料。其中研究最多的是CaS体系, 又逐渐拓展到信息存储、辐射探测、成像显示等高技 稀土掺杂离子主要是Eu2+,基质也由一元碱土金属 术领域[ ]。从三基色原理的角度考虑,将红、绿、 硫化物逐步扩展至二元如Ca1一 Mg(Sr,Ba) S: 蓝的长余辉材料按一定比例混合,就可以获得任意 Eu[4--7],因此这一体系红色长余辉发光材料可用 颜色输出。稀土离子掺杂的碱土铝(硅)酸盐绿色长 M1M2S:Eu(M1,M2=Mg,Ca,Sr,Ba)通式表示。 余辉和蓝色长余辉已进入了实用阶段,而红色长余 目前,硫化物体系红色长余辉材料主要以Eu2 辉材料一直处于研发阶段,主要是其余辉时间及亮 作为激活剂,其红色发射属于Eu 的4f65d1.4f7间 度等性能指标与蓝色和黄绿色材料存在较大差距, 电子跃迁发射。由于Eu2 掺人到硫化物基质晶格 无法达到实际应用的要求。因此,研制性能优异的 后产生了新的空穴陷阱,使附加陷阱能级与基质的 红色长余辉材料已成为当前长余辉材料的研究热 价带之间的电子空穴转换机制发生改变,基质的空 点。本文在参考了大量中外最新文献的基础上,根 穴浓度减少,从而降低了荧光跃迁的几率,减缓了发 据发光基质的不同对红色长余辉材料的研究现状、 射跃迁速率,使得这种材料具有长余辉特性。为了 发光机制和常用制备方法等进行了系统介绍,并提 提高余辉时间,许多研究把重点放在共激发元素上, 出了对红色长余辉材料今后发展的看法。 如在原料中添加Er3 离子,由于其电子结构具有增 1 稀土掺杂红色长余辉发光材料的分 强吸收光能的作用l8j,并易转移给激活剂中心Eu 类及发光机制 离子,从而起到改善磷光粉亮度的作用。 CaS:Eu作为硫化物体系的第一代红色长余辉 能使基质出现长余辉发光现象的稀土掺杂离子 材料,其主要缺点是化学稳定性差,易潮解,因而限 主要有Ce 、Pr3 、Tb3 、Eu 、Eu”、Sm3 、 制了这类材料的应用。近年来,人们提出了利用材 nn3 ,其中已发现的能使基质发红光的稀土离子主 料包膜、改进制备工艺等手段来克服这些缺点。如 要有Eu 、Pr3 、Sm”。李成宇等[ ]认为Sm3 采取了半导体平面工艺中的均胶技术,有机乳胶热 (5D0—7F0)、Tm2 (4fa25d-- ̄2F7/2)、Tm”(1G4— 分解制备SiO2,对磷光粉进行包膜处理,提高了磷 3H6)是潜在的红色和蓝色长余辉发光离子。红色 光粉的稳定性¨9j。 基金项目:四川省科技攻关重点项目(05GG009—016—03) 作者简介:秦英德(1982一),男,汉族,硕士研究生,主要研究方向:新材料的研制与应用,E—mail:bingniao168025l@sina.tom.cn 收稿日期:2007—07—31 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 1.2碱土金属氧化物体系 秦英德等:稀土掺杂红色长余辉发光材料的研究进展 23 aTiCO3:PI3 的荧光光谱如图1所示,激发主 峰为338 nm,在248 nnl附近有一肩峰,440~500 nm有一个很弱的激发带;发射峰是位于618 nm附 近的线状光谱,对应于PI3 的 D2.0H4跃迁。 稀土元素激活的氧化物是近年来才发展起来的 新型发光材料,其发光基质主要为Y2o3、Y202S(其 中Y可被Gd、La、Lu、Se等取代),激活离子为 Eu3 、Sm3 、TIn3 等o 1981年,Koyama[10]合成了Y202S(Y2o3): Eu0 (Sm3 )红色长余辉发光材料。1999年,Mu. razaki[11]在传统的红色发光材料Y202S:Eu¨中掺 aTiCO3:Pr3 的色坐标值(x=0.68,Y=0.31)与 NTSC的理想红色坐标值(x=0.67,Y=0.33)非常 接近。目前已经合成的SrTil一 一 Zn ̄GayO3:Pr3 其 发光强度是Y202S:Eu0 传统商用CRT荧光粉的2 杂Mg和Ti获得了发光时间较长的红色长余辉材 料,具有高亮度,尤其是具有优良的耐热性和抗辐射 性等特点。之后,对这一氧化物体系红色长余辉发 光材料,大量的研究工作集中在部分改变基质[ ]或 进行掺杂敏化[13--17]之上,以便进一步改善其荧光、 余辉和化学性能。2003年,雷炳富等¨0 J合成了一 种新的红色长余辉荧光材料Y202S:Sm,Mg,Ti,它 不仅具有Y2O2S:Eu,Mg,Ti的长余辉材料的特性, 而且其余辉时间长达200~300 min。 Y2o3:Eu3 是一种性能优异的红色荧光粉,在 三基色荧光灯、彩电与阴极射线管等应用领域,它的 作用仍是无可替代的,而且随着高分辨率、大屏幕平 板电视的发展,对纳米Y203:Eu¨及其相关材料的 研究备受重视。 1.3碱土金属钛酸盐体系 自1997年Diallo[18]首次报道了CaTiO3:Pr3 是一种性能稳定的红色长余辉发光材料后,Pr3 激 活的碱土金属钛酸盐MTiO3(M=Ca,Sr,Ba)因其性 能稳定 余辉衰减慢成为近年红色长余辉材料研究 的热点。MTiO3:pr3 在紫外光的激发下均发红光 (615 nm),对应于pr3 的 D2.0H4特征发射。 碱土金属钛酸盐红色长余辉发光材料是一类新 型红色发光材料。到目前为止,基质主要是MTiO3 (M=CQ圈曩 墨岛国a,Sr,Mg,Ba),激活剂主要是Pr3  和Eu3 离 子,发光原因可能是因为Pr3 进入基质晶格取代 Ca2 格位后形成红色发光中心。另一方面,Pr3 对 Ca2 的不等价电荷取代形成异价离子掺杂晶格结 构,为保持电中性,晶格中形成了阳离子空 穴[ 0j。其晶格的化学式可表示为Ca卜3xPr2 Vx Ti03,其中V表示一个空穴陷阱中心。此外,材 料制备过程中会有部分pr3 被存在的原子O氧化 成pr4 ,出现电子陷阱中心。可见,Pr3 所形成的 空穴陷阱和pr4 形成的电子陷阱,是CaTiO3:Pr3 体系产生长余辉特性的主要原因[20]。 倍,且此粉在热扰、电子辐射和其它外界刺激下性能 比较稳定,非常适用于商业低电压FED。 }11m 图1 CaTiO3:Pr3 的荧光光谱 为了提高碱土金属钛酸盐红色长余辉发光材料 的发光强度,进一步改善发光性能,大量的研究工作 集中在改变钛酸盐基质、掺杂及改进合成方法等。 Diallo[博]等较为系统地研究了CaTiO3:pr3 红色长 余辉材料的制备温度、微观晶体结构、电荷补偿剂种 类以及pr3 浓度等因素对材料长余辉特性的影响, Rocyce[ ]发现在CaTiO3:pr3 中掺入适量的Zn或 Mg离子既能有效提高CaTiO3:Pr3 的发光强度又 能延长其余辉。此外,廉世勋等[ ]还全面研究了碱 金属离子Li 、Na 、K 、Rb 、Cs 和Ag 等的掺入 对Cal一 Zn TiO3:Pr3 发光性能的影响。 以CaTiO3:pr3 为代表的碱土钛酸盐红色发光 材料,不仅稳定性好,发光颜色也纯正,研究其发光 机制并寻找提高余辉性能的有效途径对新型红色长 余辉材料的研究具有重要意义。但是,这一体系目 前存在的最大缺点就是发光亮度还不够,且余辉时 问还不能达到实际应用要求,可见光区的激发强度 也有待进一步的提高。 1.4其它 在红色长余辉发光材料的相关研究中,还有一 些研究工作尚处于探索阶段,但仍然具有很高的参 考价值。如Eu0 激活的碱土金属氧化物MO:Eu0 维普资讯 http://www.cqvip.com

化工技术与开发 第37卷 (M=Ca、Sr、Ba)是一种新型的红色长余辉发光材 料,它采用传统的高温固相反应合成,并以H31303 作为助熔剂【23]。研究表明,晶格中B203结构对增 强材料的发光亮度和余辉时间有促进作用。李进 等[ ]采用半固相反应方法由SrC_D3、A1(OH) 和 Eu23与草酸反应先合成了sr、Al0、Eu的复合草酸 盐先驱物,然后在还原气氛中高温合成一种红色长 余辉SrAI204:Eu2 新型材料,其发光光谱峰值位于 到亚微米级,发光强度比高温固相法增强了约5倍。 2.3燃烧法 燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种 方法。该方法的基本原理是将反应原料制成相应的 盐,加入作为燃料的尿素(还原剂),在一定温度 下加热几分钟,经剧烈的氧化还原反应,溢出大量气 体,进而得到泡沫状材料。燃烧法合成发光材料具 有相当的适应性,燃烧过程产生的气体还可充当还 582 Dill,最强激发峰值位于500 nm处。 2稀土掺杂红色长余辉发光材料的制 备方法 2.1高温固相合成法 高温固相法是合成发光材料用得最多的一种方 法。该方法是将原料按一定化学计量比进行称量, 并加入一定量的助熔剂(H3BO3、NHnCI等),充分混 合均匀后在一定的条件下(温度、气氛和反应时问) 进行焙烧得到产品。高温固相法因操作方便,成本 相对较低,且生产工艺成熟而得到广泛应用。 在高温固相法中,助熔剂的选取与使用,在一定 程度上影响了材料的发光亮度和余辉时间。例如, Zn的掺人对于制备 Ti03:Pr3 红色长余辉发光 材料具有明显的助熔作用,使材料的合成温度大大 降低,同时,还能对激发光谱有较大影响,使磷光体 在可见光下更容易被激发,并且在合适的合成条件 下,可以明显提高发光初始亮度和增加余辉时 间[25 3。 2.2溶胶~凝胶法 溶胶一凝胶法是以液相反应为基础,在较低温度 下合成粉体发光材料的方法。它的主要优点是制备 温度较低,且产品均匀性好,粒径小,是一种有效的 软化学合成法。目前利用这种方法已经成功地合成 了SrAI2o4:E1.12 ,D)r3 黄绿色长余辉材料[ 。 在红色长余辉材料的合成中,溶胶一凝胶法也将 有很广的应用前景。Diallo等l2’]分别采用高温固相 法和溶胶一凝胶法合成CaTi30:Pr3 红色长余辉材 料,并比较了2种制备过程对发光性能的影响。研 究表明,溶胶一凝胶法获得的CaTi30:Pr3 材料不仅 具有较低的合成温度,而且能形成更好的结晶体和 更致密的微结构,使产物具有更高的发光强度。李 秀英等 J采用溶胶 凝胶法合成了一种新型红色长 余辉发光材料Ca2Zn4Ti。5306:Pr3 。与高温固相法 比较,溶胶.凝胶法反应温度低,时间短,产品粒径达 原保护气氛。采用燃烧法制备长余辉发光材料反应 迅速,可大大降低炉温,是一种高效节能的合成方 法,在合成蓝、绿色长余辉发光材料方面已得到了广 泛应用。 近年来,在红色长余辉材料的合成中,燃烧法正 得到越来越多的重视。S.Yin等[29]用燃烧法合成 了红色长余辉材料CaTi30:Pr3 ,Al¨,并研究了影 响产物性能的主要因素。结果表明,硼酸作为助溶 剂能有效提高CaTi30:Pr3 ,Al0 的发光强度,同时 起始温度对合成性能优异的红色长余辉材料具有十 分重要的作用,随着起始温度的升高,荧光粉的发光 性能和结晶程度都会得到提高。 2.4其它 除了上述几种方法用于红色长余辉材料的制备 外,还有水(溶剂)热合成法、微波合成法、化学沉淀 法等。这些新型合成技术的采用,一方面可望在提 高材料的发光性能上取得突破;另一方面也可能获 得传统制备技术所无法得到的发光材料,从而丰富 发光材料的种类,进一步拓宽其相关的研究应用领 域。 3稀土掺杂红色长余辉发光材料的研 究展望 目前,长余辉发光材料的研究日新月异,不断出 现组成、结构、激活离子和发光颜色不同的各种新型 长余辉发光材料。从三基色原理的角度考虑,将红、 绿、蓝的长余辉材料按一定比例混合,就可以获得任 意颜色输出。现在已知的绿色和蓝色长余辉材料的 性能已达到实用要求,然而,目前红色长余辉材料几 乎全是硫化物体系,最好的红色长余辉材料是 Y202S:Eu,Mg,Ti,其余辉时间也只有5 h,化学稳 定性差,亮度和余辉不能满足实际要求,因此,研制 性能优异的红色长余辉材料已成为当前长余辉材料 的研究热点。可以预测,今后将可能从以下3个方 向展开研究: 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com

第1期 李善建等:一种渣油乳化燃料油的制备研究 21 2 实验结果 (1)经过对乳化剂单剂的筛选,以稳定性作为 选择标准,并从成本方面考虑,最终选择了Span 80、 Tween 40和KSP的复配; (4)从实验结果可以看出,以乳化燃料油的稳 定性来选择最佳的操作工艺,结果为:转速约2000 r ・min~,乳化时间30 min,乳化温度约80℃,掺水 率为23%。乳化剂加入水中后再一起加入油中,体 系稳定时间可达3个月以上; (2)对于本油水体系,乳化剂复配的HLB值为 5.0~5.2时较好,其中5.0时,乳化燃料油稳定性 最好; (3)随着加剂量的减少或加水量的增大,乳化 燃料油的稳定性下降,加入适当助剂对乳化燃料油 稳定性的提高有重要作用。本油水体系加入微量助 剂(聚乙烯醇),能明显提高乳化燃料油的稳定性;助 剂对乳化作用不产生影响,聚乙烯醇作为防护胶体 使用,只要微量,就能加强防止水颗粒结合的能力, 对乳化产品的稳定性能有促进作用; (5)乳化燃料油燃烧可以相应降低燃油消耗, 达到节能效果。 参考文献: [1]庞万忠,陈立滇.渣油乳化节能技术[J].北京节能, 1995,(5):16. [2]余立平.燃料油的乳化及应用研究[D].上海:华东理 工大学,2006. [3]续丽琼.用离心法检测水包油乳状液稳定性[J].钻井 液与完井液,1999,(1):71—74. [4]徐志成,安静仪.孤岛原油乳化活性组分剖析[J].油 田化学,1999,16(2):163.166. Preparation and Research of n Emulasion Fuel 0il by Petroleum Residue LI ShanQian,Lf Qian—ding,Lf Tian—sheng (College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi’n aUniversity of Petroleum,Xi’an 710075,China) Abstract:Accorded to the knowledge of suffactants,the emulsifiers were selected and mixed by the rule of Hy. drophile—Lipophile-Balnce(HLB)valaue.After centrifugal separated,it could see the water was separated out or not,and its structures were determined by microscope observation,So the stability could be nalayzed.Based on the stability,the emulsifiers were selected and mixed;the HLB value Was alSO selected.Next,reasonable pro— duce process Was determined.The influence factors of emulsion ruel oil were discussed. Key words:emulsion fuel oil;emulsifier;produce process (上接第25页) [26]熊煜虹,王东,陆毅青,等.高效长余辉发光薄膜及粉 体的溶胶一凝胶工艺研究[J].中国稀土学报,2001,19 (6):594—598. Ca2Zn4Til5()36:Pr3 的合成和发光性质[J].中国稀土 学报,2005,23(1):16—20. [29】 Shengyu Yin,Donghua chen,Wanjun Tang,et a1. ombustCion synthesis and lmiunescent propertis of e[27]Diallo P T,Jeanlouis K,Boutinaud P,et a1.Improve— ment ofthe optical performance ofP in CaTiO3[J]. [28]李秀英,廉世勋,刘利民,等.红色长余辉发光材料 CaTiO3:Pr,A1 persistent phosphors[J].Alloys ompd,C 2006,19:120. .@阿霸嘲_圜霸嘲 Alloys omp,2001,(323—C324):218. E Development of Red Long-lasting Phosphorescence Materials Doped with Rare Earth Ions Q Ying-de,WANG Ke-jia,ZOU Xuan,ZHANG Wei (Institute of Material Science mad Technology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China) Abstract:The development of red long~lstaing phosphorescence materials doped with rare earth ions was intro— duced.Meanwhile,the phosphorescent mechanism and current situation of preparation method of sulfide,ti— tanate and oxysulfid hosts were summarized.In-depth research and development of red long—lstaing phosphores— cence materials were aim predicted. Key words:red long—lstiang phosphoresce;phosphorescent mechanism;preparation method;rre eaarth ions 

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