溶膠－凝膠－燃燒法合成納米Ｙ₂Ｏ₃∶Ｅｕ³⁺紅色熒光粉

【摘要】 采用甘氨酸為助燃劑用溶膠－凝膠－燃燒法合成超細Y₂O₃∶Eu³⁺紅色熒光粉。

【關鍵詞】 Y₂O₃∶Eu³⁺;溶膠－凝膠－燃燒法;熒光粉

【中圖號】 O614.3;TQ133.2 【文獻標示碼】 A 【文章編號】 1005-1074(2008)12-0100-01

Y₂O₃∶Eu³⁺是陰極射線和紫外輻射激發的高效紅色發光材料，自1974年應用于三基色熒光燈以來，至今仍是燈用三基色熒光粉首選的紅色組分.現商用的Y₂O₃∶Eu³⁺多采用高溫固相反應合成，粒徑一般為3～13μm。隨著科學技術的發展，一些新型光源對發光材料的性能指標提出了更高的要求.冷陰極熒光燈具有小型、高亮度、長壽命、耗電少等優點，作為液晶顯示的背景光源已廣泛應用。冷陰極燈的管徑僅1～4mm，并有更細化的趨勢.它要求熒光粉的粒徑比現商用的熒光粉更細，并具有高發光效率和高穩定性.實驗表明，對商用Y₂O₃∶Eu³⁺紅粉用球磨破碎或氣流破碎的方法至粒徑1μm左右時，由于晶體表面造成嚴重的破損使發光效率大幅度降低，光衰顯著增大，難以符合要求，超細熒光粉的研制已經成為一個十分迫切的課題。

合成超細Y₂O₃∶Eu³⁺紅色熒光粉已有許多報道，主要有燃燒合成法、溶膠凝膠法、稀土羧酸配合物快速熱分解法、噴霧熱分解法等.這些方法獲得了納米級或亞微米級的Y₂O₃∶Eu³⁺，但所得Y₂O₃∶Eu³⁺發光亮度或比目前的商用品低許多，或未有關于發光亮度的報道.本文采用甘氨酸為助燃劑用溶膠－凝膠－燃燒法合成Y₂O₃∶Eu³⁺紅色熒光粉，討論了合成條件與Y₂O₃∶Eu³⁺粒度和發光亮度的關系，觀察到合成的Y₂O₃∶Eu³⁺比常規固相反應法合成的Y₂O₃∶Eu³⁺激活劑Eu³⁺的臨界濃度高得多，獲得了平均粒徑小于1μm，發光亮度與現商用品相當的亞微米級Y₂O₃∶Eu³⁺紅色熒光粉。

1 實驗部分

1.1試劑 實驗所用Y₂O₃、Eu₂O₃為99.99%，甘氨酸、硝酸、氨水等為分析純。

1.2 樣品制備 在通風廚中按一定比例將Y₂O₃，Eu₂O₃溶于硝酸中，將甘氨酸溶于蒸餾水，兩者充分混合后用電爐加熱蒸發水分，可觀察到水溶液沸騰，水分逐漸蒸發，體系逐漸呈粘稠狀，實際呈一種溶膠狀態，并開始發泡.繼續加熱，水分基本蒸干時，十幾分鐘后溶液變成了膠狀，將它放在馬沸爐中繼續加熱，在500度左右，硝酸鹽和尿素同時分解，放出棕色煙霧，氣體把氧化物鼓成泡沫狀白色物質。棕色煙消失后，停止加熱，自然冷卻到室溫。用紫外燈照射產品，觀察到有粉紅色熒光。其中甘氨酸作為還原劑和助燃劑，NO₃₊作為氧化劑，進行放熱氧化-還原反應.由甘氨酸和硝酸鹽的比值，可得到一系列不同溫度逐漸改變的火焰，改變火焰的溫度，可制備出不同粒徑的Y₂O₃∶Eu³⁺納米材料，最小達5nm。通過控制初始反應物的比例，可得到不同摻雜濃度的Y₂O₃∶Eu³⁺納米樣品，反應產生高溫，并放出大量氣體，生成疏松的潔白泡沫狀產物，整個燃燒過程在數十秒內完成。

1.3 實驗原理 甘氨酸燃燒法制備納米Y₂O₃∶Eu³⁺的化學反應方程式:Y₂O₃+ 6HNO₃→2Y(NO₃)₃+3H₂OEu₂O₃+6HNO₃→2Eu(NO₃)₃+3H₂O6Y(NO₃)₃+10H₂NCH₂COOH+18O₂→2Y₂O₃+20CO₂+5N₂+25H₂O+18NO₂6Eu(NO₃)₃+10H₂NCH₂COOH+18O₂→2Eu₂O₃+20CO₂+5N₂+25H₂O+18NO₂

利用甘氨酸為助燃劑，讓金屬硝酸鹽溶液在加熱的條件下，讓大量水分蒸發后繼續加熱使其發生燃燒，燃燒時產生的氣流猛烈沖擊使反應液分散成小液滴，在高溫下蒸發去剩余水分的同時，液滴中的非揮發成分團聚生長成晶粒，燃燒溫度越高，氣流越猛烈，液滴分散得越小，液滴干燥后剩下的非揮發成分越少，產物的顆粒越小，但溫度高，晶粒的團聚生長速度也加快，因此最終產物粒子的大小，是上述兩種相反因素的共同作用結果。對不同物種，兩種因素所起作用大小是不同的，納米Y₂O₃晶粒尺寸隨火焰溫度升高而增大，是后一種因素起主導作用。因此可以通過調節甘氨酸與硝酸鹽比值控制燃燒火焰的溫度來控制晶粒尺寸。本實驗的特點:內容新，方法簡單，操作方便現象明顯，可直接觀察到;時間短，一般的合成實驗都需要較長時間，但此實驗只用30～90分鐘即可得到產品;綜合性強，涉及實驗操作和原理較多，例如：準確稱量，溶液配制，硝酸鹽分解，凝膠自燃，有機助燃劑甘氨酸助燃原理，納米微粒形成原理，及物質的熒光發光原理，硝酸根分析檢測方法及原理等知識與技能，綜合性強，成功率高，而且在一般大學化學實驗室都能夠完成。

2 結果與討論

①實驗室根據甘氨酸和硝酸鹽的比值不同可以生成不同粒徑的Y₂O₃∶Eu³⁺最小的粒徑可達5nm，經測試不同粒徑的Eu³⁺中發光的主要激發帶是250nm左右的Eu³⁺電荷遷移態(CTS)吸收.②通過控制初始反應物的比例，可得到不同摻雜濃度的Y₂O₃∶Eu³⁺納米樣品，經測試不同摻雜濃度的Y₂O₃∶Eu³⁺納米樣品其發射峰都在611nm左右。③該合成方法簡單方便，成本低，合成的產品發光效果好，合適商品化。

3 參考文獻

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