微乳法制备Gd2O3:Tb~(3+)、Gd2O2S:Tb~(3+)纳米粒子及发光性能研究

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本论文研究纳米Gd2O3:Tb3+、Gd2O2S:Tb3+的制备、结构表征和性能。用微乳液法合成了纳米Gd2O3:Tb3+和Gd2O2S:Tb3+,对二者的结构、形貌、大小等进行了表征;测定了纳米Gd2O3:Tb3+的前驱体纳米草酸钆的热解机理和热分解反应动力学参数;研究了Gd2O3:Tb3+和Gd2O2S:Tb3+的发光性能以及Tb3+的最佳发光离子浓度。具体工作包括以下几个方面: (1)通过滴定作出TX—100/正己醇/正辛烷/水的部分拟三元相图,在W/O型微乳液的纳米反应器中合成了纳米Gd2O3:Tb3+荧光粉,结构表征证实其为立方氧化钆。粒子为球形,大小均匀,分散性好。随着w值(w=[H2O]/[表面活性剂])从0.86减小到0.33,制得的纳米粒子粒径也从20~30nm减小为8~15nm。微乳液法中的晶体形成温度较草酸沉淀法降低了近100℃,具有较快的成晶速度。纳米Gd2O3:Tb3+荧光粉的发射光谱显示出Tb3+的4个特征发射,其主要发射峰在543nm处,为5D47F5能级跃迁;并且随着纳米粒子粒径的增大,发光强度逐渐增强。Gd2O3:Tb3+中Tb3+的最佳发光离子浓度是1×10-3摩尔/摩尔基质。 (2)在W/O型微乳液的纳米反应器的水滴中合成了纳米Gd2O3:Tb3+的前驱体纳米草酸钆,粒子为球形,大小较均匀,粒径为4~10nm。通过纳米草酸钆的TG—DTA分析、XRD图谱和FT—IR分析,研究得到微乳法制得的纳米草酸钆的热解机理为:Gd2(C2O43.10H2O→Gd2(C2O43+10H2O,Gd2(C2O43→Gd2O2(CO3)+3CO+2CO2,Gd2O2(CO3)→Gd2O3+CO2,比体相草酸钆的热解机理复杂。运用Ozawa方法计算第二、三步的热分解反应的活化能分别为194.6kJ.mol-1和110.9kJ.mol-1;由TG曲线法确定了相应的反应级数是3.0和0.43。 (3)将制得的Gd2O3:Tb3+纳米粒子和无水碳酸钠、升华硫在1200℃煅烧后得到纳米Gd2O2S:Tb3+,XRD分析证实其为六方Gd2O2S:Tb3+。纳米粒子为球形,有利于紧密堆积,改善荧光粉的填充度,粒径为10~20nm;由于高温灼烧,纳米小球聚集在一起形成微米小球,其大小在0.2~0.5μm。纳米Gd2O2S:Tb3+荧光粉的主要发射峰在540nm,该处发光强度明显高于草酸沉淀制得的Gd2O2S:Tb3+,并且在D47F6的能级跃迁中发生蓝移现象。
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