不同有機堿對銪-2-羥基喹啉-4-羧酸配合物發光性能的影響

2015-04-05 09:01:59朱乾華

發光學報 2015年7期

朱乾華

(無機特種功能材料重慶市重點實驗室長江師范學院化學化工學院，重慶 408100)

朱乾華*

(無機特種功能材料重慶市重點實驗室長江師范學院化學化工學院，重慶 408100)

分別在有機堿三乙胺、三丙胺和三丁胺的作用下，使用2-羥基喹啉-4-羧酸(H2hqc) 與EuCl3·6H2O反應制備了3種配合物Eu(Hhqc)3(TEL)、Eu(Hhqc)3(TPL) 和Eu(Hhqc)3(TBL)。通過元素分析、熱重分析、摩爾電導率、紫外光譜、熒光光譜、熒光壽命和量子產率等對配合物進行了表征。所有配合物均在580，592，613，654，702 nm附近產生5條譜帶，為Eu3+的特征發射，歸屬為5D0→7FJ(J=0, 1, 2, 3, 4)能級間的躍遷，熒光壽命分別為2.22，3.29，3.31 ms，量子產率分別為0.011，0.019，0.028。隨著有機胺碳鏈長度的增加，配合物的熒光強度依次增大，表明有機堿參與了配合物的分子組成。

銪配合物；有機胺； 2-羥基喹啉-4-羧酸；熒光壽命；量子產率

1 引言

稀土離子屬于硬酸[1]，具有豐富的4f 電子躍遷能級，易與羧酸等具有較大的共軛剛性平面的有機含氧配體結合，生成穩定性和發光性能良好的稀土發光配合物，其受外界環境影響非常小，具有單色性好、發光強度高、發光壽命長和量子效率高等特點，是一類具有獨特性能的發光材料，應用前景十分廣闊[2-6]。以2-羥基喹啉-4-羧酸(H2hqc)為配體的配合物的研究尚鮮有報道[7-9]。而在無水乙醇中，有機胺是僅作為去質子堿存在，還是參與了稀土配合物的分子組成，對2-羥基喹啉-4-羧酸(H2hqc)銪配合物的影響等方面的研究尚未見諸報道[10]。本文使用三乙胺(TEL)、正三丙胺(TPL)、正三丁胺(TBL)作為有機堿，在無水乙醇溶液中制備得到了3種2-羥基喹啉-4-羧酸銪配合物，確定了配合物的組成，并對其發光性能進行了研究。

2 實驗

2.1 樣品制備

將99.99%的Eu2O3溶于適量鹽酸中，緩慢蒸發析出EuCl3·6H2O結晶，置于干燥器中備用，2-羥基喹啉-4-羧酸(H2hqc)參見文獻[7]合成，三乙胺、正三丙胺、正三丁胺和無水乙醇均為分析純。

EuCl3·6H2O和H2hqc分別按量比n(Eu3+)∶n(H2hqc)=1∶3稱取并溶于適量無水乙醇中，用適量三乙胺、正三丙胺、正三丁胺調pH值至6.5

左右，水浴恒溫攪拌2 h后靜置10 h，抽濾所得沉淀，適量無水乙醇多次洗滌，于100 ℃真空干燥至恒重，得Eu(Hhqc)3(TEL)、Eu(Hhqc)3(TPL)和Eu(Hhqc)3(TBL)3種配合物。

2.2 樣品表征

在室溫條件下，采用上海越眾公司的ZF-7三用紫外分析儀、美國利曼-徠伯斯公司的Euro EA 3000型元素分析儀、德國耐馳公司的STA 449型綜合熱分析儀(測溫范圍30～900 ℃，氮氣氣氛，升溫速率10 ℃·min-1)和DDS-307W型電導率儀、美國Perkin Elme公司的Lambda 650s紫外-可見分光光度計、英國愛丁堡公司的FLS920穩態/瞬態熒光光譜儀、日立F-7000型熒光光度計(入射和出射狹縫(帶通)均為2.5 nm，掃描速率30 000 nm·min-1，光電倍增管電壓 400 V，Φ60積分球光度計，Al2O3粉末)對所制得樣品進行測量。

3 結果與討論

3.1 元素分析及摩爾電導率

對配合物中C、H和N元素含量進行了測定，并以二甲酚橙為指示劑，用EDTA標準溶液滴定測得Eu3+含量，如表1所示。根據表1 可確定配合物的組成為Eu(Hhqc)3(TEL)、Eu(Hhqc)3(TPL)和Eu(Hhqc)3(TBL)，基本與理論吻合。在常溫下以N′N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，濃度為1.0×10-3mol/L，測定各配合物的電導率(表1)，根據λ=(k液-k劑)10-3/c求得相應配合物的摩爾電導率值[11]分別為29.79，17.99，28.79 S·cm2·mol-1。結果表明，配合物外界不存在酸根離子，3種配合物均為非電解質[12]。

表1 配合物的元素分析值和摩爾電導率值

3.2 紫外吸收光譜分析

從圖1中的配體及其配合物的吸收光譜可以看出，配體H2hqc的紫外吸收峰位于350 nm附近，有很寬的吸收帶與較強的吸收；配合物Eu(Hhqc)3(TEL)、Eu(Hhqc)3(TPL)和Eu(Hhqc)3(TBL)的吸收峰分別位于382，385，387 nm處，3種配合物的吸收峰非常相似，說明其能級比較接近。在形成配合物后，配體的吸收峰消失，而配合物的吸收峰向長波方向移動。這是由于在有機堿的參與作用下，體系的共軛程度增加，π電子的離域性增大，使配合物的吸收波長發生紅移。

圖1 配體和配合物的紫外吸收光譜

Fig.1 UV absorption spectra of the ligands and complexes

3.3 熒光光譜分析

圖2是在室溫下測得的3種固體配合物Eu(Hhqc)3(TEL)、Eu(Hhqc)3(TPL)和Eu-(Hhqc)3(TBL)的激發光譜。可以看出，激發光譜為寬的帶狀光譜，說明配體將吸收的能量有效地傳遞給了Eu3+。配合物Eu(Hhqc)3(TEL)、Eu-(Hhqc)3(TPL)和Eu-(Hhqc)3(TBL)的最大激發均出現在350～400 nm之間，最佳激發波長分別為358，363，364 nm。長鏈有機胺的引入致使最佳激發波長發生了紅移。

圖3為3種配合物的發射光譜，其在580，592，613，654，702 nm附近出現5條譜帶，分別歸屬于Eu3+離子特征發射的5D0→7F0、5D0→7F1、5D0→7F2、5D0→7F3和5D0→7F4躍遷，其中在613 nm附近的5D0→7F2能級間的躍遷最強。

圖2 配合物的激發光譜

圖3 配合物的發射光譜

表2給出了3種配合物發射峰峰位、相對熒光強度和總峰面積積分(S)。Eu(Hhqc)3(TBL)、Eu(Hhqc)3(TPL)、Eu(Hhqc)3(TEL)的相對熒光強度之比為1.9∶1.6∶1.0。由于三乙胺、正三丙胺、正三丁胺分子中的氮原子上存在孤對電子，所以能夠接受質子而顯堿性，進攻缺電子中心而顯親核性。有機堿能很好地去除配體2-羥基喹啉-4-羧酸上的質子，同時使配合物構成大的共軛體系，配體能有效地將能量傳遞給中心離子Eu3+，使Eu3+的特征發射光明顯增強[13-14]。由圖3與表2可以看出，配合物Eu-(Hhqc)3(TEL)、Eu-(Hhqc)3(TPL)和Eu(Hhqc)3(TBL)位于613 nm附近的電偶極躍遷5D0→7F2對應的相對熒光強度最大。在592 nm附近的5D0→7F1躍遷為磁偶極躍遷，能同時觀察到5D0→7F2與5D0→7F1躍遷譜線，且5D0→7F2的相對熒光強度遠大于5D0→7F1，表明3種配合物中Eu3+的配位環境處于非對稱中心狀態[ 15-17]，具有較好的單色性。根據Eu3+離子的5D0→7FJ(J=0,1,2,3,4)躍遷產生譜線規則可知，在晶體場作用下，其J能級可能會發生分裂，使5D0→7F0躍遷產生一條譜線，5D0→7F1躍遷最多可產生3條譜線。而3種配合物的5D0→7F1與5D0→7F0能級躍遷峰均為1條譜線[18-19]，因此可以推斷Eu3+離子在3種配合物中只存在一種配位環境。

表2 配合物的發射波長和相對強度

配合物中的有機堿使得Eu3+在熒光強度以及單色性方面都明顯提高，且有機胺碳鏈越長其效果越好。

3.4 熒光壽命分析

圖4是以360 nm為激發波長、613 nm為發射波長測得的3種配合物的熒光衰減曲線。擬合曲線很好地符合單指數函數[20-21]，即方程：I=I0exp(-t/τ),其中I為時間的強度值，I0為t=0時的強度值，τ值為熒光壽命。配合物Eu(Hhqc)3-(TEL)、Eu(Hhqc)3(TPL)和Eu(Hhqc)3(TBL)的熒光壽命分別為2.22，3.29，3.31 ms。可見隨著有機堿碳鏈長度的增大，3種配合物固體的熒光壽命逐漸延長。

圖4 配合物的熒光衰減曲線

3.5 量子產率分析

對3種配合物進行直接激發和間接激發并測試，根據公式Ф=Фd-(1-Ad) Фi[22]可以計算得到配合物的量子產率，其中Фd為直接激發時的量子產率，Ad為直接激發時的吸收率，Фi為間接激發時的量子產率。計算結果如表3所示，Eu-(Hhqc)3(TEL)、Eu(Hhqc)3(TPL)和Eu(Hhqc)3(TBL)的量子產率分別為0.011，0.019，0.028。可以看出，隨著有機胺碳鏈長度的增加，相應的配合物量子產率也逐漸增大。這與熒光強度順序相同，說明量子產率與配合物的熒光強度成正比，即配合物的熒光強度越大，則與之對應的量子產率就會越高[23]。

表3 配合物的量子產率

3.6 熱重分析

圖5所示為配合物Eu(Hhqc)3(TEL)、Eu-(Hhqc)3(TPL)和Eu(Hhqc)3(TBL)的TG-DTA曲線。配合物在300 ℃以下無熱現象，一般結晶水或配位水的分解溫度低于230 ℃，這表明配合物中不含水，該結果與元素分析的一致。

圖5 配合物的TG-DTG曲線

以Eu(Hhqc)3(TEL)為例對TG-DTG曲線進行分析，配合物在300～387.4 ℃間的失重率為31.76%，實驗失重率明顯大于失去三乙胺分子的理論失重率12.37%，說明還伴隨有部分配體的失去。在432.51～840.54 ℃之間，剩余配體分解，失重率為38.58%，與配合物分解生成稀土氧化物的理論失重77.99%接近，當溫度升至850 ℃以后，重量基本趨于恒定。

4 結論

在無水乙醇中使用3種不同碳鏈長度的有機胺作為去質子試劑，以2-羥基喹啉-4-羧酸作為配體，合成了銪的3種固體配合物。隨著有機胺碳鏈長度的增加，熒光強度逐漸增大，熒光壽命逐漸延長，量子效率也逐漸增大。在365 nm光照射下，固體配合物均發出紅色熒光。結果表明，有機胺不僅作為去質子堿去除了2-羥基喹啉-4-羧酸上的質子而且還參與了配合物的組成，有機堿表現出協同效應，且正三丁胺效果更佳。

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Influence of Different Organic Bases on The Luminescence Properties of Europium Complexes with 2-Hydroxyquinoline-4-Carboxylic Acid

ZHU Qian-hua*

(ChongqingKeyLaboratoryofInorganicSpecialFunctionalMaterials,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,YangtzeNormalUniversity,Chongqing408100,China)*CorrespondingAuthor,E-mail: 370154033@qq.com

Three kinds of Europium complexes, Eu(Hhqc)3(TEL), Eu(Hhqc)3(TPL) and Eu-(Hhqc)3(TBL) were synthesized by the reaction of 2-hydroxyquinoline-4-carboxylic acid (H2hqc) with EuCl3·6H2O under the treatment with triethylamine (TEL), tripropylamine (TPL) and tributylamine (TBL), respectively. Three complexes were characterized by elemental analysis, thermogravimetric analysis, molar conductivity, UV spectra, fluorescence spectra, fluorescence life-time and quantum yield methods. Each complex shows five emission bands at 580, 592, 613, 654, 702 nm, which are assigned to the characteristic emission5D0→7FJ(J=0, 1, 2, 3, 4) transitions of Eu3+. The fluorescence life-times are 2.22, 3.29, 3.31 ms, the quantum yields are 0.011, 0.019, and 0.028 for Eu(Hhqc)3(TEL), Eu(Hhqc)3(TPL) and Eu(Hhqc)3(TBL), respectively. The fluorescent intensities increase with the increasing of carbon chain length of the organic bases, indicating the organic bases are involved in the formation of europium complexes.

europium complexes; organic amine; 2-hydroxyquinoline-4-carboxylic acid; fluorescence life-time; quantum yield