燃烧法制备SrAl2O4-Eu,Dy超长余辉发光材料实验报告教材

中南民族大学

实验报告

实验课名称：化学综合实验指导老师：唐万军

学生姓名：专业：班级：学号：

实验名称：燃烧法制备SrAl2O4:Eu,Dy超长余辉发光材料

实验日期：组别：实验成绩：

一、目的要求

1、了解稀土掺杂铝酸盐长余辉材料的合成方法与应用领域。

2、设计实验方案，采用燃烧法合成SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，测试其发光特性。

3、学会使用LS-55光度计和屏幕亮度计，根据X射线粉末衍射谱图，分析鉴定多晶样品的物相。

二、基本原理

长余辉发光材料也被称作蓄光材料，或者夜光材料，指的是在自然光或其它人造光源照射下能够存储外界光辐照的能量，然后在某一温度下（指室温），缓慢地以可见光的形式释放这些存储能量的光致发光材料。

20 世纪90 年代以来，开发的以碱土铝酸盐为基质的稀土长余辉发光材料, 以其优异的长余辉发光性能，引起了人们对长余辉发光材料的广泛关注。目前稀土离子掺杂的碱土铝(硅)酸盐长余辉材料已进入实用阶段。国内较大的生产厂家有大连路明、济南伦博、重庆上游等。市场上可见的产品除了初级的荧光粉外，主要有夜光标牌、夜光油漆、夜光塑料、夜光胶带、夜光陶瓷、夜光纤维等, 主要用于暗环境下的弱光指示照明和工艺美术品等。随着长余辉材料的形态从粉末扩展至玻璃、单晶、薄膜和玻璃陶瓷，对长余辉材料应用的探讨也从弱光照明、指示等扩展到信息存储、高能射线探测等领域。长余辉材料受到人们越来越多的重视。

从基质成分的角度划分，目前长余辉发光材料主要包括硫化物型、碱土铝酸盐型、硅酸盐型及其它基质型长余辉发光材料。不同长余辉发光材料的发光性能见表1。

表1 不同长余辉发光材料的发光性能

发光材料发光颜色发光谱峰波长/nm 余辉时间/min

BaAl2O4:Eu,Dy 蓝绿色496 120

CaAl2O4:Eu,Nd 蓝紫色446 1000

Sr4Al14O25:Eu,Dy 蓝绿色490 2000

SrAl2O4:Eu,Dy 黄绿色520 4000

Sr2MgSi2O7:Eu,Dy 蓝色469 2000

Y2O2S:Eu3+,Ti4+,Mg2+红色626 500

CaTiO3:Pr3+红色613 40

光致发光可以分为以下几个过程：①基质晶格吸收激发能；②基质晶格将吸收的激发能传递给激活离子，使其激发；③被激发的离子发光而返回基态。若基质中有激活中心A和敏化中心S，同时基质的吸收不产生辐射，那么有A吸收激发能后产生辐射，实现“发光”；S吸收激发能，并将能量传递给A，再由A辐射出来，这一过程称为“敏化发光”。发光材料的光致发光原理如图1所示。

从20 世纪90 年代开始，以Eu2+激活的碱土铝酸盐为代表的长余辉发光材料发光机制的研究，一直是人们研究的热点。目前虽未完全了解长余辉发光机制，但至少已取得如下共识：①掺杂Eu2+是发光中心；②晶体中存在的各种缺陷对发光与余辉有着重要的影响；③共掺杂三价稀土离子RE3+的添加产生了更多缺陷能级；④激发时产生的电子和空穴分别被电子陷阱和空穴陷阱捕获；⑤热扰动下陷阱捕获的电子或空穴以合适的速度释放出来；⑥电子和空穴的复合导致发光。

图1 发光材料的光致发光原理

空穴转移模型（见图2）的建立是随着Eu2+，Dy3+在以碱土金属铝酸盐以及硅酸盐为基质制备长余辉发光材料的广泛应用中逐步发展起来的, 其发光过程经历了3个阶段: ①空穴由4f→5d电子跃迁产生，并在价带上以Dy4+形式存在；②空穴在价带中随热释放而转移；③空穴与Eu1+复合伴随着余辉的释放。掺杂物中离子晶型的不同会影响空穴的深度，从而影响材料的发光时间和强度特性。

图2 空穴转移模型

燃烧法、水热合成法等，各自特点见表2。

SrAl 2O 4:Eu 2+,Dy 3+是一种最常见的长余辉发光材料，广泛应用于各种荧光粉和夜视显示。燃烧法（Combustion Method ）是用金属硝酸盐和有机还原剂的混合水溶液,在较低的温度下燃烧，发生氧化还原反应来制备长余辉发光材料。本实验以金属硝酸盐为氧化剂，尿素为还原剂，在一定温度下可以发生爆炸性燃烧反应：

222422223323CO 3

20

O H 394N 332O SrAl )CO(NH 320O H 9)2Al(NO )Sr(NO +++→+

⋅+ 通过控制燃烧温度、氧化剂和还原剂配比可以实现氧化性气氛或还原性气氛，可以直接将Eu 3+

还原为Eu 2+，从而得到SrAl 2O 4:Eu 2+,Dy 3+长余辉发光材料。

表2 长余辉磷光体的合成方法优点和缺点

制备方法 优点

缺点

高温固相法

制得粉体稳定性好, 发光和余辉性能较高

经球磨处理, 晶体完整性受破坏, 发光亮度和效率降低

微波合成法

粉体粒径较小, 组分均匀分布, 发光

效率高

易生成杂相, 合成温度不易控制 溶胶- 凝胶法

组分均匀性好, 烧结温度低, 晶粒尺

寸易控制, 发光强度较高

原料成本高, 反应周期长, 合成所用的醇盐对人体有害

沉淀法

反应温度低, 样品纯度高, 晶粒尺寸

易控制, 发光强度较好

要求各组分具有相同或相似的水解或沉淀条件, 制备多组分时存在的问题较多 燃烧法

所得样品疏松, 易粉碎, 不需要气氛

保护, 节能

因添加有机物载体, 需要废气排放及产品的后处理较复杂

水热法

合成温度低, 制备条件温和, 体系稳

定 发光强度较低, 制备工艺技术复杂, 影响因素较多

三、仪器与试剂 电子天平 1台 马弗炉 1台 LS-55荧光光度计

1台 三色荧光灯

1台 Bruker D8多晶X 射线衍射仪 1台 ST-86LA 屏幕亮度计 1台 100mL 陶瓷坩埚

6只

100mL 烧杯

6只 Al(NO 3)3·9H 2O （分子量：375.13） 分析纯 Sr(NO 3)2（分子量：211.63） 分析纯 尿素 （分子量：60.06）

分析纯

硼酸 （分子量：61.83）

分析纯

Eu 3+硝酸溶液（10-4mol·L -1,已备） 光谱纯 Dy 3+硝酸溶液（10-4mol·L -1,已备） 光谱纯

四、实验步骤

1、设计方案（每一大组任选一个方案，其中一个小组选定一个实验条件）

(1) 以0.005mol 的Sr 0.98Al 2O 4:0.01Eu, 0.01Dy 为目标产物，助熔剂硼酸为20%，计算所需试剂的用量。分别以燃料/氧化剂过量0、50%、100%、150%、200%、250%和300%，计算所需燃料尿素的