CN108715761B - 一种硅酸锶锌为基质材料的长余辉发光粉体及其制备方法 - Google Patents

一种硅酸锶锌为基质材料的长余辉发光粉体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅酸锶锌为基质材料的长余辉发光粉体及其制备方法，其化学表达式为Sr2‑0.5xMxZryZn1‑2y‑zMgzSi2O7，其中M=Li+，Na+或K+，x=0.001~0.10，y=0.005~0.15，z=0.001~0.10，是采用溶液燃烧联合高温煅烧工艺制备而成。本发明利用掺杂的Zr4+与Zn2+缺陷共同作为发光中心，并通过引入Li+、Mg2+等分别部分取代基质材料中Sr2+、Zn2+的位置，以有效改善材料的结晶性能并提高材料的发光性能。本发明所得长余辉发光粉体经紫外灯照射15 min后，能在暗处观察到持续6小时以上的蓝绿光，且其化学性能稳定，制备方法简单，市场前景好。

Description

一种硅酸锶锌为基质材料的长余辉发光粉体及其制备方法
技术领域
本发明为无机发光材料合成领域，具体涉及一种硅酸锶锌为基质材料的长余辉发光粉体及其制备方法。
背景技术
长余辉发光材料是一种蓄光型的发光材料，通常我们称之为夜光粉。其发光原理属于光致发光，即材料受到光源（如紫外光、可见光）激发时，其存储激发能于能量陷阱中，对入射光子进行捕获，停止激发后，再将能量以光的形式缓慢释放，维持发光。目前，长余辉发光材料被广泛应用于消防应急安全、交通运输、国防安全、交流LED器件、生物荧光标记、光学信息存储、太阳能光电转换等领域。目前研究中，大部分长余辉发光材料的激活离子主要是以稀土离子和部分过渡金属离子为主，如发明专利“一种绿色硅酸盐长余辉发光材料及其制备方法”（申请号：201710461182.6）公开了绿色硅酸盐长余辉发光材料K2Ba7-x- ySi16O40:xEu2+,yRIII x，其中，0.001≤x≤0.5，0≤y≤0.5的制备；也有部分是以材料自身缺陷为发光中心，即通过制造内部缺陷，增加激发电子弛豫时间，后电子挣脱在迁移中被空穴缺陷捕获以发出光。如发明专利“以Zn位及O位缺陷为发光中心的绿色长余辉发光材料”（申请号：201710132381.2）公开的一种新型绿色长余辉发光材料是以Zn位及O位缺陷为发光中心的Zn1-δAl2O4-δ，其中δ为0.001~0.09。还有通过掺杂碱金属或碱土金属离子改善晶体的结晶度且扩大晶体的颗粒尺寸，从而提高结晶性能，提高长余辉发光强度，如发明专利“一种Li+共掺提高硅酸盐荧光粉长余辉特性的方法”（申请号：201710231586.6）公开了一种用Li+进行共掺来有效提高Sr2MgSi2O7:xEu2+,yDy3+荧光粉余辉强度和余辉时间的方法。
高温固相法是产业化生产发光材料的主要方法，如发明专利“一种超长余晖材料及其制备方法”（申请号：201711323728.8）公开了采用高温固相反应法烧制超长余辉材料La3Ga5GeOl4：Cr3+,Zn2+,Li+。此外，溶胶-凝胶法作为一种湿化学合成方法因其烧结温度低，所得产品纯度高的优点，也常用于制备发光材料。如发明专利“一种快速合成长余辉发光材料的方法”（申请号：201010243006.3）公开了一种快速合成钛酸钙镨红色长余辉发光材料的溶胶-凝胶燃烧法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅酸锶锌为基质材料的长余辉发光粉体及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种硅酸锶锌为基质材料的长余辉发光粉体，其化学表达式为Sr2-0.5xMxZryZn1-2y- zMgzSi2O7，其中M=Li+、Na+或K+，x=0.001~0.10，y=0.005~0.15，z=0.001~0.10。
所述长余辉发光粉体是采用溶液燃烧联合高温煅烧工艺进行制备；其制备方法包括以下步骤：
1）按Sr2-0.5xMxZryZn1-2y-zMgzSi2O7的化学计量比分别称取ZnO、MgCO3、Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、（C2H5)4SiO4及MNO3（M为Li+、Na+或K+，x=0.001~0.10，y=0.005~0.15，z=0.001~0.10），并设所取各原料的总质量为1；
2）将其中易溶于水的Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、MNO3与原料总质量5~20%的硼酸、原料总质量30~200%的尿素混合溶解于蒸馏水中，配成物料质量浓度为0.5~5%的澄清溶液A；
3）将6mol/L的硝酸溶液滴加到难溶的ZnO、MgCO3混合物中，至使其完全溶解为止，并加入按体积比1:1配制的(C2H5)4SiO4无水乙醇溶液，再加入蒸馏水配成物料质量浓度为5~20%的澄清溶液B；
4）将溶液A、B混合均匀，置于坩埚中，500~700℃预燃烧5~10分钟，得白色前躯体粉末；
5）将步骤4）所得白色前躯体粉末研磨后置于高温炉中，在由H2与N2按V(H2):V(N2)=2~5:98~95组成的混合气体或CO气体等弱的还原性气氛中，于900~1200℃煅烧2-5小时，得蓝绿色长余辉发光粉体。
本发明的显著优点在于：
（1）本发明所得发光材料以Zn2+缺陷和Zr4+共同作为发光中心，并以Li+、Na+、K+离子部分取代基质材料中Sr2+位置，以Mg2+离子部分取代基质材料中Zn2+位置，可提升材料的结晶性能及发光性能。合适的Zn2+缺陷浓度和Zr4+离子发光中心浓度对于提高材料的发光性能将发挥极大作用。
（2）本发明长余辉发光粉体经紫外灯照射15分钟后，在暗室里可以观察到其发出的蓝绿光，目测余辉时间可达到6小时以上。
（3）本发明采用燃烧-煅烧联制法制备长余辉发光粉体，具有原材料成本低，制备时间较短，所得产品均匀性好、发光性能好等特点，具有很好的市场前景。
附图说明
图1为实施例3所制备Sr1.995K0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7的XRD图。
图2为实施例3所制备Sr1.995K0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7的激发和发射光谱图。
图3为实施例3所制备Sr1.995K0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7的热释光谱图。
图4为实施例3所制备Sr1.995K0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7的余辉衰减曲线。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
1）按Sr1.995Li0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7的化学计量比分别称取0.7894 g ZnO、0.0084g MgCO3、4.2220 g Sr(NO3)2、4.1666 g(C2H5)4SiO4、0.0322 g ZrOCl2·8H2O及0.0069g LiNO3；
2）将Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、LiNO3与0.5g硼酸、6g尿素混合溶解于1kg蒸馏水中，配成物料质量浓度约为1.08%的澄清溶液A；
3）将6mol/L的硝酸溶液滴加到难溶的ZnO、MgCO3混合物中，至使其完全溶解为止，并加入按体积比1:1配制的(C2H5)4SiO4无水乙醇溶液，再加入100g蒸馏水配成物料质量浓度约为5%的澄清溶液B；
4）将溶液A、B混合均匀，置于坩埚中，500℃预燃烧5分钟，得白色前躯体粉末；
5）将步骤4）所得白色前躯体粉末研磨后置于高温炉中，在由H2与N2按V(H2):V(N2)=2:98组成的混合气体还原性气氛中，于1000℃煅烧2小时，得蓝绿色长余辉发光粉体Sr1.99 5Li0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7。
所得蓝绿色长余辉发光粉体经紫外灯照射15分钟后，在暗室里可以观察到其发出的蓝绿光，目测余辉时间可达到6小时以上。
实施例2
1）按Sr1.995Na0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7的化学计量比分别称取0.7894 g ZnO、0.0084g MgCO3、4.2220 g Sr(NO3)2、4.1666 g(C2H5)4SiO4、0.0322 g ZrOCl2·8H2O及0.0069g NaNO3；
2）将Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、NaNO3与0.5g硼酸、6g尿素混合溶解于2kg蒸馏水中，配成物料质量浓度约为0.54%的澄清溶液A；
3）将6mol/L的硝酸溶液滴加到难溶的ZnO、MgCO3混合物中，至使其完全溶解为止，并加入按体积比1:1配制的(C2H5)4SiO4无水乙醇溶液，再加入80g蒸馏水配成物料质量浓度约为6%的澄清溶液B；
4）将溶液A、B混合均匀，置于坩埚中，600℃预燃烧7分钟，得白色前躯体粉末；
5）将步骤4）所得白色前躯体粉末研磨后置于高温炉中，在CO气体还原性气氛中，于900℃下煅烧3小时，得蓝绿色长余辉发光粉体Sr1.995Na0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7。
所得蓝绿色长余辉发光粉体经紫外灯照射15分钟后，在暗室里可以观察到其发出的蓝绿光，目测余辉时间可达到7小时以上。
实施例3
1）按Sr1.995K0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7的化学计量比分别称取0.7894 g ZnO、0.0084g MgCO3、4.2220 g Sr(NO3)2、4.1666 g(C2H5)4SiO4、0.0322 g ZrOCl2·8H2O及0.0069 g KNO3；
2）将Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、KNO3与0.5g硼酸、6g尿素混合溶解于3kg蒸馏水中，配成质量浓度约为3.59%的澄清溶液A；
3）将6mol/L的硝酸溶液滴加到难溶的ZnO、MgCO3混合物中，至使其完全溶解为止，并加入按体积比1:1配制的(C2H5)4SiO4无水乙醇溶液，再加入50g蒸馏水配成物料质量浓度约为10%的澄清溶液B；
4）将溶液A、B混合均匀，置于坩埚中，700℃预燃烧10分钟，得白色前躯体粉末；
5）将步骤4）所得白色前躯体粉末研磨后置于高温炉中，在由H2与N2按V(H2):V(N2)=5:95组成的混合气体还原性气氛中，于1200℃下煅烧5小时后，得蓝绿色长余辉发光粉体Sr1.995K0.010Zr0.010Zn0.97Mg0.010Si2O7。
所得蓝绿色长余辉发光粉体经紫外灯照射15分钟后，在暗室里可以观察到其发出的蓝绿光，目测余辉时间可达到8小时以上。
图1为本实施例所得长余辉发光材料的XRD图。从图中可见，其X-射线衍射数据与X射线衍射国际标准数据库PDF标准卡中的39-0235一致。
图2为本实施例所得长余辉发光材料的激发和发射光谱图。从图中可见，其在373nm存在激发峰，在485、510及528 nm处有发射峰，其中，485 nm发射峰归属于Zr4+发的蓝光，510及528 nm归属于Zn2+缺陷所发的绿光。
图3为本实施例所得长余辉发光材料的热释光谱图。从图中可见，其T=425.04 K处有一个宽的强的热释峰，利用热释峰可以了解能级陷阱的深度及浓度。
图4为实施例所得长余辉发光材料的余辉衰减曲线。从图中可见，材料经历一个快衰减过程而后进入一个十分缓慢的慢衰减过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种硅酸锶锌为基质材料的蓝绿色长余辉发光粉体，其特征在于：所述长余辉发光粉体的化学表达式为Sr2-0.5xMxZryZn1-2y-zMgzSi2O7，其中M=Li+、Na+或K+，x=0.001~0.10，y=0.005~0.15，z=0.001~0.10；
所述长余辉发光粉体其是采用溶液燃烧联合高温煅烧工艺进行制备，其包括以下步骤：
1）按Sr2-0.5xMxZryZn1-2y-zMgzSi2O7的化学计量比分别称取ZnO、MgCO3、Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、(C2H5)4SiO4及MNO3，其中M为Li+、Na+或K+，x=0.001~0.10，y=0.005~0.15，z=0.001~0.10；
2）将Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、MNO3与硼酸、尿素混合溶解于蒸馏水中，配成物料质量浓度为0.5~5%的澄清溶液A；
3）将6mol/L的硝酸溶液滴加到ZnO、MgCO3混合物中，至使其完全溶解为止，并加入按体积比1:1配制的(C2H5)4SiO4无水乙醇溶液，再加入蒸馏水配成物料质量浓度为5~20%的澄清溶液B；
4）将溶液A、B混合均匀，置于坩埚中，500~700℃预燃烧5~10分钟，得白色前躯体粉末；
5）将步骤4）所得白色前躯体粉末研磨后置于高温炉中，于900~1200℃、还原性气氛中煅烧2-5小时，得所述长余辉发光粉体。
2.根据权利要求1所述蓝绿色长余辉发光粉体，其特征在于：设所用ZnO、MgCO3、Sr(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、(C2H5)4SiO4及MNO3的总质量为1，则步骤2）中硼酸的用量为5%~20%，尿素的用量为30%~200%。
3.根据权利要求1所述蓝绿色长余辉发光粉体，其特征在于：步骤5）中所述还原性气氛是由H2与N2按体积比2~5:98~95组成的混合气体或CO气体。
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