CN108913131B - 一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于无机光致变色材料技术领域，尤其涉及一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料及其制备方法和应用。本发明提供了一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料，稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料的化学结构式为Ca3‑xGa4O9:xR3+；其中，R3+选自Eu3+、Sm3+、Pr3+、Tb3+、Dy3+或Ho3+，x为R3+的掺杂量，0<x≤0.03。本发明稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料物料化学稳定性较好，经紫外光照射后由白色慢慢变成淡红棕色，再经过可见光、太阳光照射或高温加热后，又会恢复到原本的白色，可在紫外光和可见光交替照射下产生白色‑淡红棕色交替变化，变色持久性好、热稳定性高、抗疲劳性好。

Description

一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于无机光致变色材料技术领域，尤其涉及一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料及其制备方法和应用。
背景技术
光致变色是指一种物质两种不同状态之间的可逆变化，其中至少有一个方向的变化是由于光的辐射引发的。光致变色材料在受到某一种电磁波的辐照后，引起其吸收光谱发生了明显的变化，进而导致其体色表现为另一种颜色，然后经过另一种波长的电磁波再次照射后，又恢复到原来的体色。光致变色材料具有光敏特性，在众多领域都有着广泛的应用前景。光致变色材料由于其独特的可逆光响应特性，一直以来受到各国学者们的广泛关注和研究。
迄今为止，研究最多、最广泛的光致变色材料依然局限于有机光致变色材料。尽管有机光致变色材料已经实现了一定的商用化，但是这类材料存在着一些固有的缺点，如稳定性能差、容易氧化分解、变色性能对介质选择性强、变色持续时间短、抗疲劳性差、环境污染大等。相比而言，无机光致变色材料具有较高的稳定性、较长的变色持续时间、良好的抗疲劳性能。但是无机光致变色材料的研究还没有达到成熟阶段，还在探索阶段，已报道的无机光致变色材料比较少。
发明内容
有鉴于此，本发明需要解决的技术问题在于提供一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料及其制备方法和应用，该稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料可实现白色与淡红棕色之间的可逆光致变色。
本发明的具体技术方案如下：
一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料，稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料的化学结构式为Ca3-xGa4O9:xR3+；
其中，R3+选自Eu3+、Sm3+、Pr3+、Tb3+、Dy3+或Ho3+，x为R3+的掺杂量，0<x≤0.03。
优选的，所述稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料选自Ca2.99Ga4O9:0.01Eu3+、Ca2.99Ga4O9:0.02Eu3+、Ca2.99Ga4O9:0.01Sm3+、Ca2.99Ga4O9:0.03Sm3+、Ca2.99Ga4O9:0.01Pr3+、Ca2.99Ga4O9:0.02Pr3+、Ca2.99Ga4O9:0.01Tb3+、Ca2.99Ga4O9:0.02Tb3+、Ca2.99Ga4O9:0.01Dy3+、Ca2.99Ga4O9:0.03Dy3+、Ca2.99Ga4O9:0.01Ho3+或Ca2.99Ga4O9:0.005Ho3+。
本发明还提供了上述技术方案所述稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料的制备方法，包括以下步骤：
将含钙化合物、含镓化合物和含R化合物混合，在空气气氛中焙烧，得到稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
优选的，所述焙烧的温度为1100℃～1300℃；
所述焙烧的时间为3h～5h。
更优选的，所述焙烧的温度为1180℃～1230℃；
所述焙烧的时间为4h。
优选的，所述含钙化合物、所述含镓化合物和所述含R化合物的摩尔比为2.96～3：4：0～0.04，更优选为2.97～3：4：0～0.03。需要说明的是，含钙化合物、含镓化合物和含R化合物的摩尔比具体为钙元素、镓元素和R元素的摩尔比。
本发明中，根据钙、镓和R在稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料中的化学计量比将含钙化合物、含镓化合物和含R化合物混合。
优选的，所述含钙化合物为含钙的碳酸盐、硝酸盐和/或草酸盐；更优选的，所述含钙化合物为碳酸钙和/或硝酸钙，进一步优选的，所述含钙化合物为碳酸钙。
优选的，所述含镓化合物为含镓的氧化物和/或硝酸盐；更优选的，所述含镓化合物为氧化镓。
优选的，所述含R化合物为含R的氧化物和/或硝酸盐；更优选的，所述含R化合物为含R的氧化物；进一步优选的，所述含R化合物为Eu2O3、Sm2O3、Pr6O11、Tb4O7、Dy2O3和/或Ho2O3。
优选的，所述将含钙化合物、含镓化合物和含R化合物混合之后，所述在空气气氛中焙烧之前，还包括：
以5℃/min～8℃/min的升温速率进行升温，更优选为以6℃/min的升温速率进行升温。
本发明中，将含钙化合物、含镓化合物和含R化合物混合之后，以5℃/min～8℃/min的升温速率进行升温之前，还包括：
对含钙化合物、含镓化合物和含R化合物混合得到混合物进行研磨，得到均匀的混合固体粉末。
混合固体粉末在刚玉坩埚中进行焙烧。
在空气气氛中焙烧之后，得到稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料之前，还包括：
将焙烧产物自然冷却后研磨。
本发明还提供了上述技术方案所述稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料或上述技术方案所述制备方法制得的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在装饰领域、伪装领域、光印刷领域、可读写光信息存储与转换领域、光传感领域、光调控领域、分子导线领域和/或自显影全息记录照相领域中的应用。
综上所述，本发明提供了一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料，稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料的化学结构式为Ca3-xGa4O9:xR3+；其中，R3+选自Eu3+、Sm3+、Pr3 +、Dy3+或Ho3+，x为R3+的掺杂量，0<x≤0.03。本发明稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料物料化学稳定性较好，经紫外光照射后由白色慢慢变成淡红棕色，再经过可见光、太阳光照射或高温加热后，又会恢复到原本的白色，可在紫外光和可见光交替照射下产生白色-淡红棕色交替变化，变色持久性好、热稳定性高、抗疲劳性好，这种光致变色性能使其能够很好的应用于装饰领域、伪装领域、光印刷领域、可读写光信息存储与转换领域、光传感领域、光调控领域、分子导线领域和/或自显影全息记录照相领域。本发明还提供了一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料的制备方法，该制备方法简单易操作、环保，制得的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料性能稳定，使得稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料易于大规模制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱；
图2为本发明实施例3所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱；
图3为本发明实施例5所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱；
图4为本发明实施例7所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱；
图5为本发明实施例9所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱；
图6为本发明实施例11所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱。
具体实施方式
本发明需要解决的技术问题在于提供一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料及其制备方法和应用，该稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料可实现白色与淡红棕色之间的可逆光致变色。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
按摩尔比3：2：0.005的比例称取CaCO3、Ga2O3和Eu2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以5℃/min的升温速率升温至1200℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.01Eu3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
请参阅图1，为本发明实施例1所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱。结果表明本发明实施例1所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光照射下由白色变为淡红棕色，在可见光或高温条件下恢复到原本的白色。
实施例2
按摩尔比3：2：0.01的比例称取CaCO3、Ga2O3和Eu2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以6℃/min的升温速率升温至1250℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.02Eu3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
实施例3
按摩尔比3：2：0.005的比例称取CaCO3、Ga2O3和Sm2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以6℃/min的升温速率升温至1200℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.01Sm3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
请参阅图2，为本发明实施例3所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱。结果表明本发明实施例3所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光照射下由白色变为淡红棕色，在可见光或高温条件下恢复到原本的白色。
实施例4
按摩尔比3：2：0.015的比例称取CaCO3、Ga2O3和Sm2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以7℃/min的升温速率升温至1250℃，在空气气氛下保温5h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.03Sm3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
实施例5
按摩尔比3：2：0.00167的比例称取CaCO3、Ga2O3和Pr6O11，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以8℃/min的升温速率升温至1200℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.01Pr3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
请参阅图3，为本发明实施例5所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱。结果表明本发明实施例5所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光照射下由白色变为淡红棕色，在可见光或高温条件下恢复到原本的白色。
实施例6
按摩尔比3：2：0.00334的比例称取CaCO3、Ga2O3和Pr6O11，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以6℃/min的升温速率升温至1230℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.02Pr3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
实施例7
按摩尔比3：2：0.0025的比例称取CaCO3、Ga2O3和Tb4O7，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以6℃/min的升温速率升温至1200℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.01Tb3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
请参阅图4，为本发明实施例7所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱。结果表明本发明实施例7所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光照射下由白色变为淡红棕色，在可见光或高温条件下恢复到原本的白色。
实施例8
按摩尔比3：2：0.005的比例称取CaCO3、Ga2O3和Tb4O7，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以6℃/min的升温速率升温至1200℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.02Tb3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
实施例9
按摩尔比3：2：0.005的比例称取CaCO3、Ga2O3和Dy2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以7℃/min的升温速率升温至1200℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.01Dy3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
请参阅图5，为本发明实施例9所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱。结果表明本发明实施例9所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光照射下由白色变为淡红棕色，在可见光或高温条件下恢复到原本的白色。
实施例10
按摩尔比3：2：0.015的比例称取CaCO3、Ga2O3和Dy2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以5℃/min的升温速率升温至1280℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.03Dy3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
实施例11
按摩尔比3：2：0.005的比例称取CaCO3、Ga2O3和Ho2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以5℃/min的升温速率升温至1200℃，在空气气氛下保温4h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.01Ho3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
请参阅图6，为本发明实施例11所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光激发后和可见光照射或高温处理后的漫反射光谱。结果表明本发明实施例9所制备的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在紫外光照射下由白色变为淡红棕色，在可见光或高温条件下恢复到原本的白色。
实施例12
按摩尔比3：2：0.0025的比例称取CaCO3、Ga2O3和Ho2O3，再进行充分混合研磨，得到均匀的混合固体粉末，将所得到的混合固体粉末装在刚玉坩埚内，放进高温炉中，以5℃/min的升温速率升温至1250℃，在空气气氛下保温5h进行焙烧，将焙烧产物自然冷却至室温后取出再次研磨，得到化学结构式为Ca2.99Ga4O9:0.005Ho3+的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含钙化合物、含镓化合物和含R化合物混合，在空气气氛中焙烧，得到稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料；
所述稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料的化学结构式为Ca3-xGa4O9:xR3+；
其中，R3+选自Sm3+、Pr3+、Dy3+或Ho3+，x为R3+的掺杂量，0<x≤0.03。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧的温度为1100℃~1300℃；
所述焙烧的时间为3 h~5 h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含钙化合物为含钙的碳酸盐、硝酸盐和/或草酸盐。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含镓化合物为含镓的氧化物和/或硝酸盐。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含R化合物为含R的氧化物和/或硝酸盐。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述将含钙化合物、含镓化合物和含R化合物混合之后，所述在空气气氛中焙烧之前，还包括：
以5℃/min~8℃/min的升温速率进行升温。
7.权利要求1至6任意一项所述制备方法制得的稀土离子掺杂镓酸盐可逆光致变色材料在装饰领域、伪装领域、光印刷领域、可读写光信息存储与转换领域、光传感领域、光调控领域、分子导线领域或自显影全息记录照相领域中的应用。
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