CN106221698A - 一种NaYF4:Yb/Er上转换材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NaYF4:Yb/Er上转换材料。该材料包含有Cr3+。其中，0mol％＜Cr3+的浓度≤20mol％；Cr3+的浓度的计算公式是：Cr3+的浓度＝Cr3+的摩尔数/(Y3+的摩尔数+Yb3+的摩尔数+Er3+的摩尔数+Cr3+的摩尔数)×100％。本发明还公开了一种该材料的制备方法，包括掺入Cr3+的操作。本发明所涉及的NaYF4:Yb/Er上转换材料的荧光强度较相同制备条件下未掺杂Cr3+的NaYF4:Yb/Er上转换材料的荧光强度高。同时，该制备方法具有设备简单、易于操作等特点，便于大规模生产和推广。

Description

一种NaYF4:Yb/Er上转换材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米发光材料制备领域，尤其涉及一种NaYF4:Yb/Er上转换材料及其制备方法。
背景技术
上转换材料是一类能够吸收两个或两个以上长波长、低能光子，然后辐射出一个短波长、高能光子的新型纳米材料。上转换材料可以将电池不能利用转换为电能的低能量光子转化为电池可以利用转换为电能的高能量光子，拓宽晶硅太阳能电池的吸收光谱，从而突破S-Q极限，提高晶硅太阳能电池的光电转换效率。以NaYF4为基质，同时掺杂Yb3+和Er3+离子的NaYF4:Yb/Er上转换材料较其他上转换材料具有声子能量低、带隙宽、电子云扩张效应小、上转换效率高等特点，在生物成像、荧光探针、数据存储等诸多领域，尤其在太阳能电池领域极具潜在的应用价值
NaYF4:Yb/Er上转换材料的上转换发光属于反斯托克斯过程，导致其荧光强度较低，成为限制其广泛应用的瓶颈问题，因此迫切需要增强NaYF4:Yb/Er晶体的荧光强度。目前提高NaYF4:Yb/Er上转换材料荧光强度的方法主要有：(1)在NaYF4:Yb/Er表面包覆一层金纳米(Au)粒子、银纳米(Ag)粒子或同质材料，制备核-壳结构；(2)在NaYF4:Yb/Er上转换材料中掺杂碱金属离子或过渡金属离子，改变基质材料的晶体场，延长稀土发光离子相关能级的寿命，以提高NaYF4:Yb/Er上转换材料的发光效率。但是，核-壳结构NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备过程复杂，且对于上转换发光效率的提高十分有限。掺杂碱金属离子或过渡金属离子提高NaYF4:Yb/Er上转换材料荧光强度具有制备工艺简单，效果显著等优点。但是，目前可用的掺杂离子种类较少，主要是Li+、Mn2+和K+。因此，寻找新的掺杂离子以提高NaYF4:Yb/Er上转换材料的发光效率并研究其增强机制具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种发光效率更好、荧光强度更高的NaYF4:Yb/Er上转换材料及其制备方法。本发明公开的一种NaYF4:Yb/Er上转换材料，包含有Cr3+。
进一步地，0mol％＜Cr3+的浓度≤20mol％；Cr3+的浓度的计算公式是：Cr3+的浓度＝Cr3+的摩尔数/(Y3+的摩尔数+Yb3+的摩尔数+Er3+的摩尔数+Cr3+的摩尔数)×100％。
本发明还公开了一种如上所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，该方法包括掺入Cr3+的操作。
进一步地，包括以下步骤：
步骤一、将Y(NO3)3、Yb(NO3)3、Er(NO3)3和CrCl3，或者Y(NO3)3水合物、Yb(NO3)3水合物、Er(NO3)3水合物和CrCl3水合物溶于水，混合，得到混合溶液A；
步骤二、将柠檬酸三钠溶液加入所述步骤一得到的混合溶液A中，混合，得到混合溶液B；
步骤三、将氟化钠溶液加入所述步骤二得到的混合溶液B中，反应，得到白色悬浊液C；
步骤四、将所述步骤三得到的白色悬浊液C转移至高压反应釜中，随后将所述高压反应釜放入160～180℃的温度环境中，保温12～18h，得到产物一；
步骤五、将所述步骤四得到的产物一进行离心取沉淀，洗涤，烘干，即得所述NaYF4:Yb/Er上转换材料。
进一步地，所述步骤一中的Y(NO3)3、Yb(NO3)3、Er(NO3)3和CrCl3，或者Y(NO3)3水合物、Yb(NO3)3水合物、Er(NO3)3水合物和CrCl3水合物的摩尔比为：(80-λ):18:2:λ，0<λ≤20。
进一步地，所述Y(NO3)3水合物包括Y(NO3)3·6H2O；所述Yb(NO3)3水合物包括Yb(NO3)3·5H2O；所述Er(NO3)3水合物包括Er(NO3)3·5H2O；所述CrCl3水合物包括CrCl3·6H2O。
在一个实施方式中，所述Y(NO3)3水合物是Y(NO3)3·6H2O；所述Yb(NO3)3水合物是Yb(NO3)3·5H2O；所述Er(NO3)3水合物是Er(NO3)3·5H2O；所述CrCl3水合物是CrCl3·6H2O。
进一步地，所述步骤一中的Y(NO3)3·6H2O、Yb(NO3)3·5H2O、Er(NO3)3·5H2O和CrCl3·6H2O的摩尔比为：(80-λ):18:2:λ，0<λ≤20。
进一步地，所述步骤二中的柠檬酸三钠与所述步骤一中的Y3+、Yb3+和Er3+之和的摩尔比为(2～8):1。
进一步地，所述步骤三中的氟化钠与所述步骤一中的Y3+、Yb3+和Er3+之和的摩尔比为(8～12):1。
进一步地，所述步骤一中的混合具体指磁力搅拌20～30min；所述步骤二中的混合具体指磁力搅拌10～20min；所述步骤三中的反应具体指磁力搅拌反应30～60min；所述步骤四具体为将所述步骤三得到的白色悬浊液C转移至高压反应釜中，随后将所述高压反应釜放入160～180℃的烘箱中，保温12～18h后取出，自然冷却至室温，得到产物一；所述步骤五具体为将所述步骤四得到的产物一进行离心取沉淀，用去离子水或乙醇洗涤，80～120℃保温12～18h烘干(优选地是80℃保温12～16h烘干)，即得所述NaYF4:Yb/Er上转换材料。
本发明提供的NaYF4:Yb/Er上转换发光材料的荧光强度高，且本发明所涉及的制备方法其制备工艺简单，易于实现，便于推广，避免了常规方法所需反应温度高，操作复杂等缺点。
附图说明
图1是实施例1所制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料与同等条件但不掺杂Cr3+的NaYF4:Yb/Er上转换材料在荧光强度上的比较图片。
图2是实施例2所制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料与同等条件但不掺杂Cr3+的NaYF4:Yb/Er上转换材料在荧光强度上的比较图片。
图3是实施例3所制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料与同等条件但不掺杂Cr3+的NaYF4:Yb/Er上转换材料在荧光强度上的比较图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术内容做进一步的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。本发明涉及的试剂均可通过商业途径购得。
本发明提供了一种NaYF4:Yb/Er上转换材料及其制备方法。该NaYF4:Yb/Er上转换材料之所以荧光强度高，是因为含有Cr3+。原理：Cr3+改变NaYF4:Yb/Er晶体的晶格场内部环境，破坏其晶格的对称性，使原本不发光的Er3+和Yb3+变为发光离子，同时能够提高晶体中Er3+的中间态能级的荧光寿命，从而增强NaYF4:Yb/Er上转换材料的荧光强度。本发明所公开的该材料的制备方法正是依据该原理来增强该材料的荧光强度。
实施例1
1)将Y(NO3)3·6H2O，Yb(NO3)3·5H2O，Er(NO3)3·5H2O和CrCl3·6H2O四种物质共1mmol按比例溶于10ml去离子水中，摩尔比Y(NO3)3·6H2O:Yb(NO3)3·5H2O:Er(NO3)3·5H2O:CrCl3·6H2O＝70:18:2:10，磁力搅拌20min，得到混合溶液A；
2)将15ml溶有3.6mmol柠檬酸三钠的水溶液加入上述混合溶液A中(柠檬酸三钠与所有稀土阳离子RE3+(RE3+＝Y3++Yb3++Er3+)的摩尔比为4:1)，磁力搅拌10min，得到混合溶液B；
3)将15ml溶有9mmol氟化钠(氟化钠与所有稀土阳离子RE3+(RE3+＝Y3++Yb3++Er3+)的摩尔比为10:1)的水溶液加入步骤2)所得的混合溶液B中，磁力搅拌反应30min，得到白色悬浊液C；
4)将步骤3)中白色悬浊液C转移至容量为50ml的高压反应釜中，随后将该高压反应釜放入160℃的烘箱中，保温12h后取出，自然冷却至室温。
5)将步骤4)中所得产物进行离心分离，取沉淀，并用去离子水多次洗涤，80℃烘箱中保温12h，烘干，即得NaYF4:Yb/Er上转换材料。
实施效果：Cr3+掺杂浓度为10mol％时制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料的荧光强度为不掺杂Cr3+时制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料荧光强度的2.1倍(除Cr3+掺杂浓度不同，两种NaYF4:Yb/Er上转换材料的其他制备条件相同)，如图1所示。
实施例2
1)将Y(NO3)3·6H2O，Yb(NO3)3·5H2O，Er(NO3)3·5H2O和CrCl3·6H2O四种物质共1mmol按一定比例溶于10ml去离子水中，摩尔比Y(NO3)3·6H2O:Yb(NO3)3·5H2O:Er(NO3)3·5H2O:CrCl3·6H2O＝65:18:2:15，磁力搅拌30min，得到混合溶液A；
2)将15ml溶有5.1mmol柠檬酸三钠的水溶液加入上述混合溶液A中(柠檬酸三钠与所有稀土阳离子RE3+(RE3+＝Y3++Yb3++Er3+)的摩尔比为6:1)，磁力搅拌20min，得到混合溶液B；
3)将15ml溶有10.2mmol氟化钠(氟化钠与所有稀土阳离子RE3+(RE3+＝Y3++Yb3++Er3 +)的摩尔比为12:1)的水溶液加入步骤2)所得的混合溶液B中，磁力搅拌反应60min，得到白色悬浊液C；
4)将步骤3)中白色悬浊液C转移至容量为50ml的高压反应釜中，随后将反应釜放入180℃的烘箱中，保温18h后取出，自然冷却至室温。
5)将步骤4)中所得产物进行离心分离，取沉淀，并用乙醇多次洗涤，80℃烘箱中保温15h，烘干，即得NaYF4:Yb/Er上转换材料。
实施效果：Cr3+掺杂浓度为15mol％时制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料的荧光强度为不掺杂Cr3+时制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料荧光强度的1.8倍(除Cr3+掺杂浓度不同，两种NaYF4:Yb/Er上转换材料的其他制备条件相同)，如图2所示。
实施例3
1)将Y(NO3)3·6H2O，Yb(NO3)3·5H2O，Er(NO3)3·5H2O和CrCl3·6H2O四种物质共1mmol按一定比例溶于10ml去离子水中，摩尔比Y(NO3)3·6H2O:Yb(NO3)3·5H2O:Er(NO3)3·5H2O:CrCl3·6H2O＝60:18:2:20，磁力搅拌30min，得到混合溶液A；
2)将15ml溶有6.4mmol柠檬酸三钠的水溶液加入上述混合溶液A中(柠檬酸三钠与所有稀土阳离子RE3+(RE3+＝Y3++Yb3++Er3+)的摩尔比为8:1)，磁力搅拌15min，得到混合溶液B；
3)将15ml溶有6.4mmol氟化钠(氟化钠与所有稀土阳离子RE3+(RE3+＝Y3++Yb3++Er3 +)的摩尔比为8:1)的水溶液加入步骤2)所得的混合溶液B中，磁力搅拌反应35min，得到白色悬浊液C；
4)将步骤3)中白色悬浊液C转移至容量为50ml的高压反应釜中，随后将反应釜放入170℃的烘箱中，保温16h后取出，自然冷却至室温。
5)将步骤4)中所得产物进行离心分离，取沉淀，并用去离子水洗涤，80℃烘箱中保温16h，烘干，即得NaYF4:Yb/Er上转换材料。
实施效果：Cr3+掺杂浓度为20mol％时制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料的荧光强度为不掺杂Cr3+时制备的NaYF4:Yb/Er上转换材料荧光强度的4.8倍(除Cr3+掺杂浓度不同，两种NaYF4:Yb/Er上转换材料的其他制备条件相同)，如图3所示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种NaYF4:Yb/Er上转换材料，其特征在于，包含有Cr3+。
2.如权利要求1所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料，其特征在于，0mol％＜Cr3+的浓度≤20mol％；Cr3+的浓度的计算公式是：Cr3+的浓度＝Cr3+的摩尔数/(Y3+的摩尔数+Yb3+的摩尔数+Er3+的摩尔数+Cr3+的摩尔数)×100％。
3.一种如权利要求1所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，包括掺入Cr3+的操作。
4.如权利要求3所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将Y(NO3)3、Yb(NO3)3、Er(NO3)3和CrCl3，或者Y(NO3)3水合物、Yb(NO3)3水合物、Er(NO3)3水合物和CrCl3水合物溶于水，混合，得到混合溶液A；
步骤二、将柠檬酸三钠溶液加入所述步骤一得到的混合溶液A中，混合，得到混合溶液B；
步骤三、将氟化钠溶液加入所述步骤二得到的混合溶液B中，反应，得到白色悬浊液C；
步骤四、将所述步骤三得到的白色悬浊液C转移至高压反应釜中，随后将所述高压反应釜放入160～180℃的温度环境中，保温12～18h，得到产物一；
步骤五、将所述步骤四得到的产物一进行离心取沉淀，洗涤，烘干，即得所述NaYF4:Yb/Er上转换材料。
5.如权利要求4所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的Y(NO3)3、Yb(NO3)3、Er(NO3)3和CrCl3，或者Y(NO3)3水合物、Yb(NO3)3水合物、Er(NO3)3水合物和CrCl3水合物的摩尔比为：(80-λ):18:2:λ，0<λ≤20。
6.如权利要求4所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，所述Y(NO3)3水合物包括Y(NO3)3·6H2O；所述Yb(NO3)3水合物包括Yb(NO3)3·5H2O；所述Er(NO3)3水合物包括Er(NO3)3·5H2O；所述CrCl3水合物包括CrCl3·6H2O。
7.如权利要求6所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的Y(NO3)3·6H2O、Yb(NO3)3·5H2O、Er(NO3)3·5H2O和CrCl3·6H2O的摩尔比为：(80-λ):18:2:λ，0<λ≤20。
8.如权利要求3所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的柠檬酸三钠与所述步骤一中的Y3+、Yb3+和Er3+之和的摩尔比为(2～8):1。
9.如权利要求3所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的氟化钠与所述步骤一中的Y3+、Yb3+和Er3+之和的摩尔比为(8～12):1。
10.如权利要求3-9任一项所述的NaYF4:Yb/Er上转换材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的混合具体指磁力搅拌20～30min；所述步骤二中的混合具体指磁力搅拌10～20min；所述步骤三中的反应具体指磁力搅拌反应30～60min；所述步骤四具体为将所述步骤三得到的白色悬浊液C转移至高压反应釜中，随后将所述高压反应釜放入160～180℃的烘箱中，保温12～18h后取出，自然冷却至室温，得到产物一；所述步骤五具体为将所述步骤四得到的产物一进行离心取沉淀，用去离子水或乙醇洗涤，80～120℃保温12～18h烘干，即得所述NaYF4:Yb/Er上转换材料。
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