CN114921244B - 一种纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉及制备方法 - Google Patents
一种纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明主要涉及具有特殊形貌的一种纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉及制备方法,适用于固态显示器件等领域。所述荧光粉为纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,是一种以镁铝尖晶石MgAl2O4为基质,Tb3+为激活剂的下转换发光材料。其制备方法是以添加氟化铵为反应助剂,构建以F–体系下的水热辅助轻烧法,最终生成具有特殊形貌的纺锤棒状荧光粉。相对于其他制备方法,本发明的方法制备的荧光粉形貌更加单一、均匀,无杂相特征,提高了荧光粉整体发光表现,实现高色温值的冷绿光发射。
Description
技术领域
本发明主要涉及具有特殊形貌的一种纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉及制备方法,适用于固态显示器件等领域。
背景技术
作为铝酸盐的重要组成,尖晶石型MgAl2O4凭借更突出的高熔点、高强度、高稳定性等优点成为不可或缺的重要材料。传统的MgAl2O4通常作为耐火材料,用于高温行业中。近年来,随着光电信息产业的高速发展,对传统材料的功能化提出了更高的要求。与Be、Ca、Sr、Ba等同族铝酸盐类材料相比,Mg资源丰富,价格低廉且污染小。特别是MgAl2O4在继承铝酸盐良好稳定性的同时又兼具较低的声子能量(~670cm-1),有望成为一种理想的铝酸盐类荧光粉基质材料。
镁铝尖晶石荧光粉的制备方法繁多,包括高温固相法、燃烧法、溶胶凝胶法及水热法等。相比于高温固相法能耗大(1300–1500℃),燃烧法不易控制的等缺点,溶胶凝胶法在制备纳米级特殊形貌MgAl2O4荧光粉方面有优势,但也存在着纳米级粉体的不规则团聚,以及有害的醇盐原料污染等问题。在此背景下,水热法作为一种无污染的绿色合成手段展现出广阔前景。近年来,采用常规水热法制备MgAl2O4基荧光粉已见报道,虽然水热法在一定程度上能够解决超细MgAl2O4基荧光粉团聚问题,得到分散性较好的微观形貌。但由于水热反应处于高压密闭的环境中,所制备的产物的晶格中极易产生氧空位(VO)等缺陷,使荧光粉的晶粒生长极易产生畸变,造成微观形貌不均匀单一,甚至常出现多形貌复合的情况。因此有必要改进传统的尖晶石荧光粉制备方法并不断探索新工艺。
此外,稀土Tb3+在宽泵浦波长下具有较大的吸收截面,易于激发。MgAl2O4:Tb3+荧光材料有望应用在各种发光器件中,但是目前仍鲜有纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉的相关报道。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提出了一种形貌特殊、性质稳定、发光强度高的冷色调(Tc>5000K)荧光粉及其制备方法,可应用于为固态显示领域。
所述荧光粉为纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,是一种以镁铝尖晶石MgAl2O4为基质,Tb3+为激活剂的下转换发光材料。其制备方法是以添加氟化铵为反应助剂,构建以F–体系下的水热辅助轻烧法,最终生成具有单一形貌的纺锤棒状荧光粉,从而提高了荧光粉整体发光强度,实现高色温值的冷光发射。
所述纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉的化学计量表达式为Mg1-xAl2O4:Tb3+ x,式中0.01≤x≤0.05。其制备方法具体包括以下步骤:
所述镁盐、铝盐、+3价铽盐可以采用可溶性盐,比如硝酸盐、硫酸盐、氯化盐等强酸盐。因为后续过程中还有轻烧过程,为了减少废气污染,优选采用硝酸盐。混合溶液中金属阳离子的总浓度可以为0.1~0.3mol/L。
S2:向混合溶液中加入氟化铵,形成F-溶液体系。可以通过搅拌促进溶液体系的形成。
氟化铵可按照摩尔比加入,其中/>为添加的氟化铵中氟离子的量,/>为预计生成的产物Mg1-xAl2O4:Tb3+ x中氧离子摩尔数的理论值,比如如果混合溶液中的Al3+为0.1mol,相应的,预计生成的产物Mg1-xAl2O4:Tb3+ x中氧离子摩尔数的理论值即为0.2mol。
氟化铵为生成MgAl2O4:Tb3+的反应助剂,所添加的少量F–能够进入MgAl2O4尖晶石结构晶格内部,填补氧空位(VO)等缺陷,促进晶粒的均匀自组装生长过程,有助于获得具有单一纺锤棒状形貌的微观组织。
S4:混合溶液进行水热反应,反应的温度为100~160℃,保温时间为12~24h。之后分离出水热反应生成的固体沉淀,即为荧光粉前驱体。
分离沉淀的方式可以为高速离心分离并收集,之后通过冷冻干燥等方式进行干燥。
S5:对荧光粉前驱体进行轻烧,制得最终的产物纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,轻烧温度范围为800~1200℃,保温时间为2~4h。
本发明的有益效果:
1.本发明采用F–体系水热辅助轻烧法制备纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,主原料(镁、铝)资源丰富,价格相对低廉,制备工艺简单,制备方法注重节能(低温水热+轻烧),添加的少量F–能够有效进入MgAl2O4尖晶石结构晶格内部,而不会进入外部环境引起污染。因此本发明的方法是一种无污染的绿色合成手段,适合工业化生产要求。
2.本发明方法制备的荧光粉以传统材料MgAl2O4为基质材料,其稳定的尖晶石结构决定了其耐高温、化学稳定性好、无毒等优点。通过向MgAl2O4基材中引入稀土Tb3+,制得新型功能材料,提高了传统材料的附加值,拓展了其发展空间。通过在制备过程中引入F–并采用轻烧法加以辅助,有效地填补氧空位(VO)等缺陷,促进晶粒的均匀自组装生长过程,得到具有单一纺锤棒状形貌的微观组织。本发明的方法制备的荧光粉为最大直径约5μm,长20μm的微米级MgAl2O4:Tb3+荧光粉,无任何MgO、Al2O3或Tb2O3杂相特征。
3.本发明方法制备的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉可通过不可见的紫外光(λex=245nm)激发,实现理想的可见光(蓝、绿、红波段光)发射。其中蓝绿光波强度明显提高,综合表现为典型的冷色温(Tc>5000K)绿光发射,在固态显示器件领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的纺锤棒状Mg0.96Al2O4:Tb3+ 0.04荧光粉的微观形貌。
图2为常规水热法制备的MgAl2O4基荧光粉的微观形貌。
图3为本发明实施例1制得的纺锤棒状Mg0.96Al2O4:Tb3+ 0.04荧光粉的发射光谱图(左)和CIE色度图(右)。
图4为其他方法制备的MgAl2O4:Tb3+荧光粉的发射光谱图。
图5为本发明实施例1、实施例2制得的纺锤棒状Mg0.96Al2O4:Tb3+ 0.04荧光粉的X射线衍射(XRD)图,以及与标准PDF卡片的对比。其中(a)为全角度,(b)为(311)面衍射峰。
图6为本发明实施例3制得的纺锤棒状Mg0.98Al2O4:Tb3+ 0.02荧光粉的发射光谱图(左)和CIE色度图(右)。
具体实施方式
下面结合具体的实施例详细介绍本发明的方案和效果。
实施例1
制备化学计量表达式为Mg0.96Al2O4:Tb3+ 0.04的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,其制备方法具体包括以下步骤:
S1:准确称取一定量的Tb2O3,用硝酸溶解,加热使蒸干,配制成0.01mol/L的稀土Tb(NO3)3溶液;
按照配比(即通式Mg1-xAl2O4:Tb3+ x中x=0.04)准确称量Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O原料和Tb(NO3)3溶液,将Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O加入适量去离子水制成溶液,然后使用移液管向上述溶液中准确引入掺杂剂Tb(NO3)3。通过调节去离子水加入量并不断搅拌配制成总阳离子浓度为0.2mol/L的硝酸盐混合溶液。
步骤S1至S3的所有配制和混合过程均在室温下进行。
S4:将上述步骤S3所配制的均匀透明反应液移入到不锈钢反应釜(聚四氟乙烯内衬)中,置于140℃的烘箱中进行水热反应,保温时间12h。
水热反应的沉淀产物经高速离心收集后,用去离子水及无水乙醇洗涤若干次去除杂质,置于–50℃冷冻干燥器中真空干燥8h,获得荧光粉前驱体。
S5:将荧光粉前驱体产物置于马弗炉中轻烧,以5℃/min升温速率升至1000℃,保温3h后随炉冷却,制得纺锤棒状Mg0.96Al2O4:Tb3+ 0.04荧光粉。
采用PANalytical Empyrean型X射线衍射仪(50mA,35kV)表征样品的晶体结构。Carl Zeiss生产的SUPRA 55型场发射扫描电镜(SEM,5.0kV)观察样品的微观形貌。荧光光谱仪(Hitachi F-7000),激发光源为150W的Xe灯,测定样品的荧光光谱。1931CIE-XYZ标准色度系统计算该荧光粉色度表现。
图1为按实施例1制得的Mg0.96Al2O4:Tb3+ 0.04荧光粉的微观形貌,可以看出制得的荧光粉为单一均匀的微米级纺锤棒状形貌。本实施例采用的制备方法是基于F–体系的水热辅助轻烧法。常规水热法在一定程度上能够解决超细MgAl2O4荧光粉团聚问题,得到分散性较好的微观形貌。但由于常规水热反应处于高压密闭的环境中,所制备的MgAl2O4晶格中极易产生氧空位(VO)等缺陷,使荧光粉的微观形貌不均匀单一,甚至常常出现多形貌复合的情况。如图2中即为其他文献([1]LU Y,WANG J,SHI Z X,et al.Site occupation andfluorescence properties of MgAl2O4:Eu3+phosphors[J].Materials Science inSemiconductor Processing,2022,137:106233.)报道中常规水热法制备的MgAl2O4基荧光粉的微观形貌图,可以看出与本发明图1中的微观形貌相比,常规水热法制备的MgAl2O4基荧光粉微观形貌不均匀,表现为棒+片双形貌。本发明中通过氟化铵反应助剂的加入,配合水热后辅助轻烧的制备方法,解决了常规水热法制备MgAl2O4基荧光粉中因缺陷导致形貌不均匀的问题。
图3为按实施例1制得的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉的发射光谱图和CIE色度图,图4为已有报道(Wiglusz R J,Grzyb T.The effect of Tb3+doping on the structureand spectroscopic properties of MgAl2O4 nanopowders[J].Optical Materials,2011,33:1506–1513)的采用溶胶-凝胶法制备的MgAl2O4:Tb3+荧光粉的发射光谱图,通过对比可以看出,相比其他方法制备的MgAl2O4:Tb3+荧光粉,本发明所制备的MgAl2O4:Tb3+荧光粉,在发光表现上得到明显提升:在546nm处的绿光谱峰更加饱满,尤其在位于490nm处蓝光波峰强度比例增至绿光强度的42%,蓝绿光强度比的提高(R=Iblue/Igreen=42%),有利于显色温值的增加(Tc=5845K),使发光偏向冷色调,因此本发明的荧光粉综合表现为典型的高色温值冷绿光发射(可以从图4的CIE色度图中看出)。
实施例2
基本与实施例1相同,区别在于步骤S1中,分别按照x=0.01、0.02、0.03、0.05的配比称量原料,制备混合溶液。
图5a为按实施例1和实施例2制得的MgxAl2O4:Tb3+ 1-x荧光粉的XRD图及其与MgAl2O4的标准PDF卡片的对比,可以看出,本发明方法制得的产物无杂相峰,与MgAl2O4结构(PDFNO.21-1152)基本一致。根据图5b中XRD图中的(311)晶面放大图,可见随着Tb3+掺杂浓度的增加,衍射峰逐渐向低角度偏移。根据布拉格定律,具有更大的半径的稀土Tb3+占据Mg2+位置会导致晶格膨胀,使晶胞体积和晶面间距增大,说明掺杂量为x=0.01~0.05时,Tb3+能够进入尖晶石晶格占据Mg2+位,并不改变尖晶石主体结构,均为有效掺杂。
实施例3
制备化学计量表达式为Mg0.98Al2O4:Tb3+ 0.02的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,其制备方法具体包括以下步骤:
S1:准确称取一定量的Tb2O3,用硫酸溶解,加热使蒸干,配制成0.01mol/L的稀土Tb2(SO4)3溶液;
按照配比准确称量MgSO4·7H2O和Al2(SO4)3·18H2O原料和Tb2(SO4)3溶液,将MgSO4·7H2O和Al2(SO4)3·18H2O加入适量去离子水制成溶液,然后使用移液管向上述溶液中准确引入掺杂剂Tb2(SO4)3。通过调节去离子水加入量并不断搅拌配制成总阳离子浓度为0.3mol/L的混合溶液。
步骤S1至S3的所有配制和混合过程均在室温下进行。
S4:将上述步骤S3所配制的均匀透明反应液移入到不锈钢反应釜(聚四氟乙烯内衬)中,置于150℃的烘箱中进行水热反应,保温时间24h。
水热反应的沉淀产物经高速离心收集后,用去离子水及无水乙醇洗涤若干次去除杂质,置于–50℃冷冻干燥器中真空干燥8h,获得荧光粉前驱体。
S5:将荧光粉前驱体产物置于马弗炉中轻烧,以5℃/min升温速率升至800℃,保温4h后随炉冷却,制得纺锤棒状Mg0.98Al2O4:Tb3+ 0.02荧光粉。
采用PANalytical Empyrean型X射线衍射仪(50mA,35kV)表征样品的晶体结构。Carl Zeiss生产的SUPRA 55型场发射扫描电镜(SEM,5.0kV)观察样品的微观形貌。荧光光谱仪(Hitachi F-7000),激发光源为150W的Xe灯,测定样品的荧光光谱。1931CIE-XYZ标准色度系统计算该荧光粉色度表现。
图6为按实施例3制得的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉的发射光谱图和CIE色度图。相比于实施例1(图3),该荧光粉在546nm处的绿光谱峰强度有所降低,但位于490nm处蓝光波峰强度比例继续增至绿光强度的50%,蓝绿光强度比明显提高(R=Iblue/Igreen=50%),更利于显色温值的增加(Tc=7036K),使发光偏向冷色调,因此荧光粉综合表现为典型的高色温值冷绿光发射(可以从图6的CIE色度图中看出)。
实施例4
制备化学计量表达式为Mg0.98Al2O4:Tb3+ 0.02的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,其制备方法具体包括以下步骤:
S1:准确称取一定量的Tb2O3,用硫酸溶解,加热使蒸干,配制成0.01mol/L的稀土Tb2(SO4)3溶液;
按照配比准确称量MgSO4·7H2O和Al2(SO4)3·18H2O原料和Tb2(SO4)3溶液,将MgSO4·7H2O和Al2(SO4)3·18H2O加入适量去离子水制成溶液,然后使用移液管向上述溶液中准确引入掺杂剂Tb2(SO4)3。通过调节去离子水加入量并不断搅拌配制成总阳离子浓度为0.1mol/L的混合溶液。
步骤S1至S3的所有配制和混合过程均在室温下进行。
S4:将上述步骤S3所配制的均匀透明反应液移入到不锈钢反应釜(聚四氟乙烯内衬)中,置于100℃的烘箱中进行水热反应,保温时间20h。
水热反应的沉淀产物经高速离心收集后,用去离子水及无水乙醇洗涤若干次去除杂质,置于–50℃冷冻干燥器中真空干燥8h,获得荧光粉前驱体。
S5:将荧光粉前驱体产物置于马弗炉中轻烧,以5℃/min升温速率升至1200℃,保温2h后随炉冷却,制得纺锤棒状Mg0.98Al2O4:Tb3+ 0.02荧光粉。
实施例5
S1:准确称取一定量的Tb2O3,用硝酸溶解,加热使蒸干,配制成0.01mol/L的稀土Tb(NO3)3溶液;
按照配比(即通式Mg1-xAl2O4:Tb3+ x中x=0.04)准确称量Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O原料和Tb(NO3)3溶液,将Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O加入适量去离子水制成溶液,然后使用移液管向上述溶液中准确引入掺杂剂Tb(NO3)3。通过调节去离子水加入量并不断搅拌配制成总阳离子浓度为0.25mol/L的硝酸盐混合溶液。
步骤S1至S3的所有配制和混合过程均在室温下进行。
S4:将上述步骤S3所配制的均匀透明反应液移入到不锈钢反应釜(聚四氟乙烯内衬)中,置于160℃的烘箱中进行水热反应,保温时间15h。
水热反应的沉淀产物经高速离心收集后,用去离子水及无水乙醇洗涤若干次去除杂质,置于–50℃冷冻干燥器中真空干燥8h,获得荧光粉前驱体。
S5:将荧光粉前驱体产物置于马弗炉中轻烧,以5℃/min升温速率升至1000℃,保温4h后随炉冷却,制得纺锤棒状Mg0.96Al2O4:Tb3+ 0.04荧光粉。
Claims (6)
2.根据权利要求1所述的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉制备方法,其特征在于,所述镁盐、铝盐、+3价铽盐均为强酸盐。
3.根据权利要求1所述的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,混合溶液中金属阳离子的总浓度为0.1~0.3mol/L。
5.根据权利要求1所述的纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉制备方法,其特征在于,所述步骤S4中,固体沉淀采用离心的方式进行分离和收集,之后进行冷冻干燥。
6.一种纺锤棒状MgAl2O4:Tb3+荧光粉,其特征在于,其制备方法如权利要求1至4中任一项所述。
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