一维多级结构稀土基纳米纤维的构筑及其荧光性能研究

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一维纳米结构稀土基发光材料在光显示系统、激光器和光电器件领域发挥着重要作用,形貌和结构的调控是一维纳米结构材料领域的一个长期研究课题。本文采用静电纺丝法控制合成了高比表面积和高发光效率的一维多级结构的稀土磷酸盐和稀土氧化物发光材料。使用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热重(TG)、N2吸附-脱附孔径分布分析(BET)和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法对所合成的一维多级结构纳米材料的组成、尺寸及微观形貌进行了表征。并通过荧光光谱(PL)分析对所得一维多级结构材料的荧光性能进行了评价。结果如下:1.本论文以有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为助纺剂,采用静电纺丝法结合高温煅烧法,控制合成了具有不同直径的、高量子产率的一维多级结构的铕离子掺杂稀土磷酸镧(LaPO4:Eu)纳米纤维;同时,通过调节助纺剂PVP的量控制合成了一维多级结构的含氧磷酸盐(La3PO7:Eu)纳米纤维。并通过调节PVP的质量获得了直径分别为360-480 nm、320-450 nm、280-420 nm、150-240 nm和180-290 nm,但长度均在5μm以上的系列LaPO4:Eu纳米纤维。TEM结果显示,这些LaPO4:Eu纳米纤维为纳米颗粒有序排列定向成线的一维纳米多级结构。BET比表面积测试结果表明,不同直径的系列LaPO4:Eu纳米纤维的比表面积不同。探讨了助纺剂PVP的质量对目标产物的尺寸、组成及比表面积的影响。继续研究了产物的尺寸、比表面积与荧光性能间的构效关系。研究发现,产物的比表面积越大其绝对量子产率越高,而荧光寿命与比表面积间没有相关性,所有的LaPO4:Eu纳米纤维均具有较长的荧光寿命,荧光寿命值为3.498 ms、4.612 ms、4.728 ms、3.443 ms和4.778 ms。当LaPO4:Eu纳米纤维的直径为150-240 nm时,比表面积为264 m2/g,绝对量子产率达到94.6%。这种具有高量子产率的LaPO4:Eu纳米纤维有望在照明和显示领域具有潜在的应用。2.本论文又以PVP为助纺剂,通过静电纺丝法结合高温煅烧法,合成了六方相的一维多级结构La2O3:Ln(Ln=Sm3+,Eu3+,Dy3+)纳米纤维。并通过调节PVP的质量,获得了长度为10μm左右,直径分别为260-360 nm、110-170 nm和180-250 nm的系列La2O3:Eu纳米纤维。荧光性质研究表明,一维纳米多级结构La2O3:Ln(Ln=Sm3+,Eu3+,Dy3+)纤维具有较强的荧光性质,尤其La2O3:Eu纳米纤维具有较强的红色荧光发射和较长的荧光寿命,且色纯度较高。论文还研究了La2O3:Eu纳米纤维对模拟废水中磷酸盐污染物的去除作用,对其吸附动力学进行初步研究。实验发现La2O3:Eu纳米纤维对磷酸根离子的Langmuir模型拟合最大吸附容量为172.7 mg/g。同时发现所合成的La2O3:Eu纳米纤维对模拟废水中低浓度磷酸盐污染物的吸附去除能力较强,对低浓度磷酸盐污染物的选择性也较高。本文所得一维多级结构La2O3:Eu纳米纤维可用于富营养化水体中磷酸盐的去除。3.本论文还系统探究了静电纺丝过程参数(如纺丝电压和接收距离)和助纺剂的质量对静电纺丝效果的影响,以及煅烧温度对目标产物形貌、结构和组成的影响,确定了稀土磷酸盐、氧化物类无机物静电纺丝的最佳静电纺丝电压、纺丝接收距离以及助纺剂质量。为其它一维纳米结构稀土无机发光材料的控制合成提供实验依据。
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