DE102017103965A1

DE102017103965A1 - Fluoreszentes UV-emittierendes Material

Info

Publication number: DE102017103965A1
Application number: DE102017103965.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Jüstel; Mike Broxtermann; Michael Laube
Original assignee: Fachhochschule Muenster
Current assignee: Fachhochschule Muenster
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-08-30

Abstract

UV-emittierendes Material der Struktur Ba(ZrHf)SiOmit a≥0 und ≤1 sowie x≥0 und ≤1+a

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf fluoreszente, UV-emittierende Materialien. Derartige Materialien sind von großem Interesse bei sowohl industriellen Prozessen, z.B. UV-Härtung, Oberflächenreinigung, Abgasnachbehnadlung aber auch bei Sterilisation oder auch kosmetischen sowie medizinischen Anwendungen.
Daher stellt sich die Aufgabe, neuartige UV-emittierende Materialien zu schaffen. Diese Aufgabe wird Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Demgemäß wird ein Material der Struktur Ba_1+a(Zr_1+a-xHf_x)Si₃O_9+3a vorgeschlagen mit a≥0 und ≤1 sowie x≥0 und ≤1+a.
Es hat sich herausgestellt, dass dieses Material ein ausgezeichneter UV-Emitter ist. Die genaue Emission kann dabei über den Faktor a gesteuert werden, wenn a nahe bei 0 ist, emittiert das Material eher im UV-C-Bereich, für a bei 1 eher im UV-A oder UV-B-Bereich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist somit a 0 oder 1.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials als UV-Emitter.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine UV-emittierende Vorrichtung umfassend das erfindungsgemäße Material.
Der Index x ist bevorzugt von x≥0 und ≤(1+a)*0,3, noch bevorzugt x≥0 und ≤(1+a)*0,2. Dies hat sich bei vielen Anwendungen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft herausgestellt.
Wenn a<1 ist, ist es besonders bevorzugt, dass x>0 und ≤(1+a)*0,3, noch bevorzugt x>0 und ≤(1+a)*0,2, d.h. das Material enthält zwingend Hafnium.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein System, umfassend ein erfindungsgemäßes Material und/oder eine UV-emittierende Vorrichtung umfassend das erfindungsgemäße Material, zur Verwendung für:

- UV-Härtung
- Sterilisation
- Kosmetische Anwendungen
- Photochemische Reaktionen
- Medizinische Anwendungen
- Oberflächenreinigung
- Abgasnachbehandlung
- Ozon- bzw. H₂O₂-Aktivierung (Advanced Oxidation Processes)

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen und Beispiele, in denen - beispielhaft - mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Materials dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt:

1 ein Pulver-XRD- der Verbindung lt. Beispiel I
2 das Reflexionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel I
3 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel I
4 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel I
5 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel II
6 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel II
7 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel III
8 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel III
9 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel IV
10 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel IV
11 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel V
12 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel V
13 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel VI
14 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel VI
15 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel VII
16 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel VII
17 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel VIII
18 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel VIII
19 das Emissionsspektrum der Verbindung lt. Beispiel IX
20 das Anregungsspektrum der Verbindung lt. Beispiel IX
21 die übereinandergelegten Emissionsspektren der Verbindungen lt. Beispiel VI bis IX

Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert, die rein als illustrativ und nicht als beschränkend zu sehen sind.
Beispiel I: Ba(Zr_0.99Hf_0.99)Si₃O₉
Beispiel I bezieht sich auf Ba(Zr_0.99Hf_0.01)Si₃O₉, welches folgendermaßen hergestellt wurde: Die pulverförmigen Edukte BaCO₃ (2,155 g, 10,92 mmol), ZrO₂ (1,333 g, 10,82 mmol), SiO₂ (1,969 g, 32,77 mmol) and HfO₂ (0,023 g, 0,11 mmol) wurden gründlich bis zu einer homogenen Mischung in einem Mörser unter Zusatz einer geringen Menge Propanol gemörsert. Anschließend wurde die Mischung in einen Schmelztiegel überführt und für 8 Stunden, dann 12 und dann 10 Stunden ohne Schutzgas kalziniert, wobei dazwischen jeweils das Material im Mörser nochmals pulverisiert wurde.
1 bis 4 zeigen das XRD-Spektrum (obiges Spektrum in Fig.l, darunter ein Referenzspektrum für die Hf-freie Verbindung), das Reflexionsspektrum, das Emissionsspektrum sowie das Anregungsspektrum dieser Verbindung. Man erkennt sehr gut, dass das Material im UV-C (genau 279nm) emittiert und bei 180nm anregbar ist.
Beispiel II: Ba(Zr_0.98Hf_0,02)Si₃O₉
Beispiel II bezieht sich auf Ba(Zr_0.98Hf_0,02)Si₃O₉ welches analog zu Beispiel I hergestellt wurde. 5 und 6 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.
Beispiel III: Ba(Zr_0.95Hf_0,05)Si₃O₉
Beispiel III bezieht sich auf Ba(Zr_0.98Hf_0,02)Si₃O₉ welches analog zu Beispiel I hergestellt wurde. 7 und 8 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.
Beispiel IV: Ba(Zr_0.9Hf_0,1)Si₃O₉
Beispiel IV bezieht sich auf Ba(Zr_0.98Hf_0,02)Si₃O₉ welches analog zu Beispiel I hergestellt wurde. 9 und 10 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.
Beispiel V: Ba(Zr_0.8Hf_0,2)Si₃O₉
Beispiel V bezieht sich auf Ba(Zr_0.98Hf_0,02)Si₃O₉ welches analog zu Beispiel I hergestellt wurde. 11 und 12 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.

Die folgende Tabelle zeigt die Emissionslinien sowie die Desinfektionseffektivität einer Quecksilberdampflampe sowie der Verbindungen der Beispiele I bis V

UV-C Material	Emission [nm]	Relative Effizienz (Emission bei 265 nm = 1.0)
Hg-Entladung	254	0.84
Ba(Zr_0.99Hf_0.01)Si₃O₉	279	0,492
Ba(Zr_0.98Hf_0.01)Si₃O₉	279	0,494
Ba(Zr_0.95Hf_0.01)Si₃O₉	280	0,531
Ba(Zr_0.90Hf_0.01)Si₃O₉	280	0,533
Ba(Zr_0.80Hf_0.01)Si₃O₉	277	0,533

Beispiel VI: Ba₂Zr₂Si₃O₁₂
Beispiel VI bezieht sich auf Ba₂Zr₂Si₃O₁₂ welches analog zu Beispiel I (nur ohne Verwendung von HfO₂) hergestellt wurde. 13 und 14 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.
Man sieht hier sehr deutlich, dass diese Verbindung bei höheren Wellenlängen emittiert mit einem Maximum bei ca. 330nm.
Beispiel VII: Ba₂(Zr_1.95Hf_0,05)Si₃O₁₂
Beispiel V bezieht sich auf Ba₂(Zr_1.95Hf_0,05)Si₃O₁₂ welches analog zu Beispiel I hergestellt wurde. 15 und 16 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.
Beispiel VIII: Ba₂(Zr_1.9Hf_0,1)Si₃O₁₂
Beispiel VIII bezieht sich auf Ba₂(Zr_1.95Hf_0,05)Si₃O₁₂ welches analog zu Beispiel I hergestellt wurde. 17 und 18 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.
Beispiel IX: Ba₂(Zr_1.8Hf_0,2)Si₃O₁₂
Beispiel IX bezieht sich auf Ba₂(Zr_1.95Hf_0,05)Si₃O₁₂ welches analog zu Beispiel I hergestellt wurde. 19 und 20 zeigen das Emissions- und Anregungsspektrum dieser Verbindung.
21 zeigt die übereinandergelegten Emissionsspektren der Verbindungen lt. Beispiel VI bis IX bei Anregung 160nm. Man sieht sehr gut, dass die Emission mit steigendem Hafniumgehalt etwas zunimmt, jedoch hinsichtlich der Wellenlänge im Wesentlichen konstant bleibt.
Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch; der Austausch und die Substitution dieser Lehren mit anderen Lehren, die in dieser Druckschrift enthalten sind mit den zitierten Druckschriften werden ebenfalls ausdrücklich erwogen. Der Fachmann erkennt, dass Variationen, Modifikationen und andere Ausführungen, die hier beschrieben werden, ebenfalls auftreten können ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist die obengenannte Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Das in den Ansprüchen verwendete Wort „umfassen“ schließt nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der unbestimmte Artikel „ein“ schließt nicht die Bedeutung eines Plurals aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maße in gegenseitig verschiedenen Ansprüchen rezitiert werden, verdeutlicht nicht, dass eine Kombination von diesen Maßen nicht zum Vorteil benutzt werde kann. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert und den dazugehörigen Äquivalenten.

Claims

UV-emittierendes Material der Struktur Ba_1+a(Zr_1+a-xHf_x)Si₃O_9+3a mit a≥0 und ≤1 sowie x≥0 und ≤1+a
Material nach Anspruch 1, wobei a 0 oder 1 ist
Material nach Anspruch 1 oder 2, wobei x ≥0 und x ≤(1+a)*0,3
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei a<1 und x >0 und x ≤(1+a)*0,3
Verwendung eines Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als UV-Emitter.
UV-emittierende Vorrichtung umfassend ein Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4
System umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 6 und/oder ein Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für: - UV-Härtung - Sterilisation - Kosmetische Anwendungen - Photochemische Reaktionen - Medizinische Anwendungen - Oberflächenreinigung - Abgasnachbehandlung - Ozon- bzw. H₂O₂-Aktivierung (Advanced Oxidation Processes)