CN107740187A - 一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾及其制备方法和应用 - Google Patents

一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾及其制备方法和应用，属于无机晶体材料技术领域。本发明的技术方案要点为：一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾，该晶体材料磷酸钽铋钾的化学式为K3BiTaP3O13，属于三方晶系，空间群为P‑3c1，单胞参数为a=17.7488(15)Å，c=7.1137(6)Å，Z=6，V=1940.7(4)Å3。本发明还具体公开了该新型发光晶体材料磷酸钽铋钾单晶体及纯相粉末的制备方法及其作为蓝色荧光粉在发光材料中的应用。本发明制得的蓝色荧光粉磷酸钽铋钾K3BiTaP3O13在空气中长时间放置不会潮解，相结构不会发生改变，化学稳定性和热稳定性高，通过该工艺制得的荧光粉无杂质存在，并且工艺简单且成本低廉。

Description

一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于无机晶体材料技术领域，具体涉及一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾及其制备方法和应用。
背景技术
无机晶体材料具有宝贵的物理性能，它能实现电、磁、光、声和力等的相互作用和转换，是现代科学技术发展中不可缺少的重要材料。例如：五十年代的半导体锗（Ge）和硅（Si）单晶的出现和应用，曾引起了微电子技术的一场革命；六十年代红宝石（Cr3+：Al2O3）、掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）等固体激光器的制作成功，大大地促进了激光技术的发展。时至今日，无机晶体材料依然是材料科学发展的重要前沿领域，它与空间、电子、激光、红外、新能源开发等新技术发展密切相关。而现代科学技术的发展，特别是光电信息技术的发展，对晶体材料的品种以及性能提出了更高的要求，天然晶体无论是在品种、质量和数量等方面都远远不能满足这一需求，这就极大地促进了人工晶体材料发展，一大批品种丰富、性能优异的无机晶体材料被开发出来，其中包括半导体晶体、压电晶体、激光晶体、非线性光学晶体、发光晶体、绝缘晶体、超硬晶体、磁性晶体等等。
发光材料受到外来不同形式的能量（光的照射、外加电场、电子束轰击等）激发后，这种物质便会吸收能量，通过储存、传递、转换过程，最终返回平衡状态，其中一部分能量会以可见光或其它的电磁形式发射出来，这个过程中物质就能发光。发光是非平衡辐射的一种特殊现象，其本质是能量守恒中能量之间的互换，辐射出来的能量是物质内部电子之间的能级跃迁。近年来，发光材料已广泛应用于彩色电视机、投影电视、航空显示器、X射线增感屏、超短余辉材料、阴极射线管、发光二极管（LED）、等离子体彩色显示（PDP）、彩色显像管、激光、光敏传感器和光存储器等领域。大部分的发光材料是由基质和激活离子两部分组成，但是据文献报道，含有过渡金属离子（如Zn2+、Ti4+、Zr4+、Nb5+、Ta5+等）或其它离子的无机化合物也能发射出明亮的荧光。与稀土发光材料中的荧光发射是基于稀土离子的4f→4f跃迁不同，这类材料的发光源于材料本体的本征缺陷的发光，称为自激活发光。缺陷发光材料的发光原理有多种，主要包括激活离子发光（如Ce3+）、半导体发光、交叉发光（crossluminescence）、自陷激子发光（luminescence from self-tapped excitations，如BaF2）、电荷转移发光（charge-transfer luminescence，如CaWO4）、芯-价带转移发光（luminescence from core-valence transitions，如BaF2）和束缚激子-等离子空穴陷阱发光（luminescence from excitations bound to an isoelectronic hole trap，如Cd：Te）等。但是一些缺陷发光材料的具体和深层次的发光机理到目前为止都并没有得到完美的解释（虽然可证明其发光确实源自缺陷），缺陷发光仍是一种比较复杂的发光类型。最早的缺陷发光材料在1986年被发现，是一种由硅酸盐-羧酸盐溶胶-凝胶前驱体制备的白色粉末。由于缺陷发光材料低毒性、稳定性好、发光颜色可调、成本低等诸多优点，之后缺陷发光材料成为有望在某些应用领域替代传统发光材料的新兴材料。开发新型缺陷发光材料一直是国内外研究者的热门话题。
据报道，无机钽（V）类晶体化合物在制备过程中，容易形成O2-缺陷进而形成缺陷发光中心。据报道，钽酸钡Ba5Ta4O15在255nm紫外光激发下可以产生350-600nm的一个宽带发射，最强峰位于455nm，对应于蓝光；晶体材料BaTa2O6在240nm紫外光激发下可以产生350-450nm的一个宽带发射，最强峰位于392nm，对应于近紫外光和紫光。基于文献报道，我们开展了无机钽（IV）类晶体材料的探索工作，发现一例新的自激活蓝色发光晶体材料K3BiTaP3O13，相关工作至今末见相关文献报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾及其制备方法，制得的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾能够作为蓝色荧光粉用于发光材料。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾，其特征在于：该发光晶体材料磷酸钽铋钾的化学式为K3BiTaP3O13，属于三方晶系，空间群为P-3c1，单胞参数为a=17.7488(15)Å，c=7.1137(6)Å，Z=6，V=1940.7(4)Å3。X射线单晶结构分析表明，每个晶体学不对称单元中包含3个K(I)原子、1个Bi(III)原子、1个Ta(IV)原子、2个P(V)原子和7个氧(II)原子。每个P原子与4个氧原子配位形成四面体结构的PO4，P-O键键长落在1.476(4)–1.558(4)Å的范围中，而O-P-O的键角在103.9(2)-113.1(3)°范围中；K(1)原子与7个氧原子配位，K(2)原子与6个氧原子配位，K(3)原子与12个氧原子配位，K(1)-O的距离在2.598(5)-2.925(5)Å范围中，K(2)-O的距离在2.825(5)-2.831(5)Å的范围中，K(3)-O的距离在3.128(5)-3.137(5)Å范围中；Bi(1)和Ta(1)原子都分别与6个O原子配位形成BiO6和TaO6八面体结构，BiO6八面体具有较大的扭曲，Bi-O的距离弥散在2.225(4)-2.445(4)Å较大得范围内，而TaO6八面体较为规则，Ta-O的距离弥散在1.9361(19)-1.962(4)Å较小的范围内；PO4四面体、BiO6八面体、TaO6八面体之间通过共用顶点氧原子的方式相互连接形成了三维的[BiTaP3O13]3- ∞阴离子网络结构，K+阳离子分布于[BiTaP3O13]3- ∞阴离子网络结构中并通过离子键作用与其相连，起到平衡电荷以及支撑骨架，形成了化合物K3BiTaP3O13的整体晶体结构，如图1所示。
本发明所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾单晶体的制备方法，其特征在于采用高温溶液合成法合成磷酸钽铋钾单晶体，具体过程为：以K2O-Bi2O3-P2O5的混合物体系为助熔剂，难熔组分氧化物Ta2O5为溶质，高温形成的均一透明溶液通过降温形成饱和溶液，自发成核生长磷酸钽铋钾单晶体，晶体的生长温度为600-750℃，降温速率为0.5-5℃/min。
进一步优选，所述采用高温溶液合成法合成磷酸钽铋钾单晶体的具体步骤为：将反应原料钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物混合并充分碾磨均匀，再将混合粉末装入铂坩埚中加热至800-900℃熔融，恒温3-20h使溶液均匀透明，然后以0.5-5℃/min的降温速率降温至600℃，再自然冷却后得到含K3BiTaP3O13单晶体的混合固体。
进一步优选，所述钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物按照摩尔计量比n(K2O)：n(Bi2O3)：n(P2O5)：n(Ta2O5)=6:1:4:1的比例进行混合。
进一步优选，所述钾源化合物为钾的氧化物、草酸钾、碳酸钾、硝酸钾、氯化钾、氟化钾或硫化钾中的一种或多种；所述铋源化合物为三氧化二铋、硝酸铋或氯化铋中的一种或多种；所述磷源化合物为磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或磷酸铵中的一种或多种；所述钽源化合物为五氧化二钽或五氯化钽。
本发明所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾纯相粉末的制备方法，其特征在于采用高温固相合成法合成磷酸钽铋钾纯相粉末具体步骤为：将反应原料钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物混合并充分碾磨均匀，再将混合粉末装入铂坩埚中于400℃恒温预热10h，冷却后取出铂坩埚，倒出样品重新碾磨均匀，再次将混合粉末装入铂坩埚中于780℃煅烧40h，冷却后取出铂坩埚得到白色粉末样品磷酸钽铋钾纯相粉末。
进一步优选，所述钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物按照摩尔计量比n(K)：n(Bi)：n(Ta)：n(P)=3:1:1:3的比例进行混合。
进一步优选，所述钾源化合物为钾的氧化物、草酸钾、碳酸钾、硝酸钾、氯化钾、氟化钾或硫化钾中的一种或多种；所述铋源化合物为三氧化二铋、硝酸铋或氯化铋中的一种或多种；所述磷源化合物为磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或磷酸铵中的一种或多种；所述钽源化合物为五氧化二钽或五氯化钽。
本发明所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾作为蓝色荧光剂在发光材料中的应用，其特征在于：在近紫外光激发下，该新型发光晶体材料磷酸钽铋钾发射出明亮的蓝色荧光。
本发明制得的蓝色荧光粉磷酸钽铋钾K3BiTaP3O13在空气中长时间放置不会潮解，相结构不会发生改变，化学稳定性和热稳定性均较高，通过该工艺制得的荧光粉无杂质存在，并且工艺简单且成本低廉。
附图说明
图1是本发明制得的磷酸钽铋钾单晶体的三维结构图；
图2是本发明制得的磷酸钽铋钾晶体材料的粉末衍射和单晶数据模拟的对比图，其中下侧曲线是根据晶体结构拟合得到的X射线衍射图谱，上侧曲线是是采用高温固相法的磷酸钽铋钾纯相粉末X射线衍射测试图谱；
图3是本发明制得的磷酸钽铋钾发光晶体材料的荧光激发谱图；
图4是本发明制得的磷酸钽铋钾发光晶体材料的荧光发射谱图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容作进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
采用助溶剂法生长化合物K3BiTaP3O13的尺寸为0.2mm左右的单晶体，适合用于单晶衍射实验，以确定化合物的分子式与精细晶体结构。晶体生长加热装置为普通马弗炉，热感设备为铂铑热电偶。选用K2O-Bi2O3-P2O5的混合物作为助熔剂，难熔组分氧化物Ta2O5为溶质，自发成核生长单晶体K3BiTaP3O13。制备单晶体所用的原料为K2CO3、Bi2O3、Ta2O5和NH4H2PO4，具体操作步骤如下：将上述原料按摩尔计量比n(K2O)：n(Bi2O3)：n(P2O5)：n(Ta2O5)=6:1:4:1的比例称取，用玛瑙研钵碾磨并混合均匀，装入铂金坩埚中并压实，在马弗炉中升温至850℃至混合物完全熔化，恒温10h形成均匀透明的淡黄色液体，然后以2℃/h的降温速率降温至650℃，关闭加热炉电源，待马弗炉自然冷却至室温后得到含K3BiTaP3O13单晶体的混合固体，从中可以挑出无色小块状的K3BiTaP3O13单晶体，其化学反应方程式为：
3K2CO3 + Bi2O3 + Ta2O5 + 6NH4H2PO4 → 2K3BiTaP3O13 + 3CO2 + 9H2O + 6NH3。
实施例2
采用高温固相合成法合成化合物K3BiTaP3O13纯相粉末，所用原料为K2CO3、Bi2O3、Ta2O5和NH4H2PO4，制备过程中的化学反应方程式为：
3K2CO3 + Bi2O3 + Ta2O5 + 6NH4H2PO4 → 2K3BiTaP3O13 + 3CO2 + 9H2O + 6NH3。
具体操作步骤如下：将上述原料按摩尔计量比n(K)：n(Bi)：n(Ta)：n(P)=3:1:1:3的比例称取，在研钵研磨并混合均匀，装入铂坩埚并置于马弗炉中，升温至400℃恒温预烧10h，然后冷却取出铂坩埚，倒出样品，重新研磨混合均匀，再次装入铂坩埚并置于马弗炉，于780℃煅烧40h，关闭马弗炉电源，冷却后取出坩埚得到白色粉末样品即化合物K3BiTaP3O13纯相粉末，对其进行粉末X射线衍射测试，所得图谱与由晶体结构拟合得到的X射线衍射图谱完全一致，表明所制得样品为纯度较高的化合物K3BiTaP3O13，如图2所示。
K3BiTaP3O13的单晶衍射数据由Bruker Apex2 CCD衍射仪，Mo-Kα radiation，λ=0.71073Å在室温下以ω 扫描方式收集完成，数据经SAINT 还原，使用Multi-scan方法进行吸收校正后被用于结构解析。单晶结构解析通过SHELX-2014程序包在PC计算机上完成，采用直接法确定重原子Bi、Ta的坐标，其余较轻原子K、P、O的坐标则是由差值傅立叶合成法给出，对所有原子的坐标和各向异性热参数进行基于F 2 的全矩阵最小二乘方平面精修至收敛，最后通过PLATON 程序对其结构进行检查，没有检测到A类晶体学错误，证明该晶体结构是正确的。
将所得产物用FLS920荧光光谱仪进行分析，在438nm发射光监控下测试其激发荧光，扫描范围为250-450nm，从图3中可以看出，激发光谱为一宽带谱，位于290-450nm范围内，最大峰位于375nm附近，表明了发光晶体材料K3BiTaP3O13可以有效地被近紫外光激发，适合作为荧光粉用于发光及显示领域。发光晶体材料K3BiTaP3O13的发射荧光谱如附图4所示，在375nm波长光的激发下，可发出一宽发射峰，位于400-600nm范围内，最大峰位于438nm附近。可以认为，发光晶体材料K3BiTaP3O13的发光现象是由于化合物本身的本征缺陷发光。将得到的发射光谱数据通过CIE1931色坐标计算工具进行计算得到以下坐标值：x=0.1792，y=0.1429，位于蓝光区，说明发光晶体材料K3BiTaP3O13可被近紫外光有效激发并发射出蓝光，可用于公共场合、家用照明灯、车站码头航标灯和显示屏等领域。该发光晶体材料的合成方法简单、原料廉价易得、产物无毒无污染且发光性能优良。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种新型发光晶体材料磷酸钽铋钾，其特征在于：该发光晶体材料磷酸钽铋钾的化学式为K3BiTaP3O13，属于三方晶系，空间群为P-3c1，单胞参数为a=17.7488(15)Å，c=7.1137(6)Å，Z=6，V=1940.7(4)Å3。
2.一种权利要求1所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾单晶体的制备方法，其特征在于采用高温溶液合成法合成磷酸钽铋钾单晶体，具体过程为：以K2O-Bi2O3-P2O5的混合物体系为助熔剂，难熔组分氧化物Ta2O5为溶质，高温形成的均一透明溶液通过降温形成饱和溶液，自发成核生长磷酸钽铋钾单晶体，晶体的生长温度为600-750℃，降温速率为0.5-5℃/min。
3.根据权利要求2所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾单晶体的制备方法，其特征在于采用高温溶液合成法合成磷酸钽铋钾单晶体的具体步骤为：将反应原料钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物混合并充分碾磨均匀，再将混合粉末装入铂坩埚中加热至800-900℃熔融，恒温3-20h使溶液均匀透明，然后以0.5-5℃/min的降温速率降温至600℃，再自然冷却后得到含K3BiTaP3O13单晶体的混合固体。
4.根据权利要求3所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾单晶体的制备方法，其特征在于：所述钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物按照摩尔计量比n(K2O)：n(Bi2O3)：n(P2O5)：n(Ta2O5)=6:1:4:1的比例进行混合。
5.根据权利要求2所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾单晶体的制备方法，其特征在于：所述钾源化合物为钾的氧化物、草酸钾、碳酸钾、硝酸钾、氯化钾、氟化钾或硫化钾中的一种或多种；所述铋源化合物为三氧化二铋、硝酸铋或氯化铋中的一种或多种；所述磷源化合物为磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或磷酸铵中的一种或多种；所述钽源化合物为五氧化二钽或五氯化钽。
6.一种权利要求1所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾纯相粉末的制备方法，其特征在于采用高温固相合成法合成磷酸钽铋钾纯相粉末，具体步骤为：将反应原料钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物混合并充分碾磨均匀，再将混合粉末装入铂坩埚中于400℃恒温预热10h，冷却后取出铂坩埚，倒出样品重新碾磨均匀，再次将混合粉末装入铂坩埚中于780℃煅烧40h，冷却后取出铂坩埚得到白色粉末样品磷酸钽铋钾纯相粉末。
7.根据权利要求6所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾纯相粉末的制备方法，其特征在于：所述钾源化合物、铋源化合物、磷源化合物和钽源化合物按照摩尔计量比n(K)：n(Bi)：n(Ta)：n(P)=3:1:1:3的比例进行混合。
8.根据权利要求6所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾纯相粉末的制备方法，其特征在于：所述钾源化合物为钾的氧化物、草酸钾、碳酸钾、硝酸钾、氯化钾、氟化钾或硫化钾中的一种或多种；所述铋源化合物为三氧化二铋、硝酸铋或氯化铋中的一种或多种；所述磷源化合物为磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或磷酸铵中的一种或多种；所述钽源化合物为五氧化二钽或五氯化钽。
9.权利要求1所述的新型发光晶体材料磷酸钽铋钾作为蓝色荧光剂在发光材料中的应用，其特征在于：在近紫外光激发下，该新型发光晶体材料磷酸钽铋钾发射出明亮的蓝色荧光。
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