冶艷 楊建美 張穎異
摘 要:首先,使用溶膠凝膠法,按新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系計(jì)量比對(duì)熒光粉原料進(jìn)行分子體系混合;其次,使用高溫固相法對(duì)復(fù)合粉體進(jìn)行煅燒,制備新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系納米熒光粉;最后,通過X射線衍射(XRD)分析儀、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、熒光分光光度計(jì)對(duì)新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉進(jìn)行分析。結(jié)果表明:通過溶膠凝膠法預(yù)處理的復(fù)合粉體制備的新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系納米熒光粉粒徑小,大約為100 nm,顆粒飽滿,基本沒有凹洞,具有很高的發(fā)射強(qiáng)度和優(yōu)異的發(fā)光性能。
關(guān)鍵詞:高溫固相法;溶膠凝膠法;新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉;微觀形貌
習(xí)近平總書記指出:“盡管我國(guó)糧食生產(chǎn)連年豐收,對(duì)糧食安全還是始終要有危機(jī)意識(shí),今年全球新冠肺炎疫情所帶來的影響更是給我們敲響了警鐘。”我國(guó)是一個(gè)人口眾多、土地資源相對(duì)不足的國(guó)家,糧食安全始終是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。能源匱乏和耕地減少問題的加劇對(duì)人們的生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。為了響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的號(hào)召,努力提高能源的利用率成為必要舉措[1-3]。為了推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),促進(jìn)植物生長(zhǎng)的發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)用熒光粉展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用空間和廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。
太陽(yáng)光譜對(duì)植物的生長(zhǎng)尤為重要,但并非所有光譜帶對(duì)植物生長(zhǎng)都有幫助。一般葉綠素a、b和類胡蘿卜素等色素所吸收的藍(lán)光波段(400~500 nm)決定向光性;紅光波段(620~690 nm)控制光合作用;植物中最主要的光感受系統(tǒng)—光敏色素吸收紅光波段(吸收紅光型Pr,中心在~660 nm)和遠(yuǎn)紅光波段(吸收遠(yuǎn)紅光型Pfr,中心在~730 nm),該波段負(fù)責(zé)光形態(tài)建成;光合細(xì)菌中的細(xì)菌葉綠素等色素吸收的遠(yuǎn)紅光—近紅外光波段(715~1 050 nm)用于生物固氮、養(yǎng)分吸收和植物維生素合成等,間接促進(jìn)了植物生長(zhǎng)。此外,太陽(yáng)光譜中的近紫外、綠光和黃光等波段幾乎未被植物利用。據(jù)估算,太陽(yáng)光能量的最大轉(zhuǎn)換效率僅為4.6%~6.0%,可見太陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)換效率并不高。隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展,植物工廠的出現(xiàn)使植物生長(zhǎng)擺脫了對(duì)太陽(yáng)光的依賴,而高效、節(jié)能光源的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)植物工廠發(fā)展的重要前提[6]。本研究將鎢鉬酸鹽和雙鈣鈦礦體系按一定的計(jì)量比混合,通過溶膠凝膠法與高溫固相法的配合制備新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉。
1?實(shí)驗(yàn)部分
實(shí)驗(yàn)材料:MgO、Eu2O3、Li2CO3、BaCO3、SrCO3、WO3、MoO3、CaCO3、Na2CO3、BaCO3和K2O2,均為99.99%的分析純;無水乙醇;去離子水;乳化劑為span80、tween80;分散劑為馬來酸酐。
實(shí)驗(yàn)儀器:分析天平(FA2005,SHIMADZU公司),坩堝,電熱套(ZHT,山東菏澤牡丹區(qū)俊騰電子儀器有限公司),電熱套,瑪瑙研缽,馬弗爐(KSL-1000X,合肥科晶材料技術(shù)有限公司),電動(dòng)攪拌器(OS60-S,科興儀器),X射線衍射(Diffraction of X-Rays,XRD)分析儀(D8,德國(guó)Bruker公司),熒光分光光度計(jì)(Hitachi F-4600,日本Hitachi公司),掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)(Hitachi4800,日本Hitachi公司)。
按照計(jì)量比準(zhǔn)確稱取MgO、Eu2O3、Li2CO3、BaCO3、SrCO3、WO3、MoO3、CaCO3、Na2CO3和BaCO3,量取30 mL無水乙醇、100 mL去離子水,并依次將些材料加入四口燒瓶中,搖勻備用。設(shè)定電熱套的溫度為100 ℃、電動(dòng)攪拌器的攪拌速度為500 r/min,攪拌60 min,加回流冷凝裝置,再加入乳化劑span80、tween80和去離子水的混合液,比例為1∶1∶200,再次設(shè)定電熱套溫度為155 ℃,繼續(xù)攪拌30 min,然后設(shè)定溫度為400 ℃并保持?jǐn)嚢杷俣葹?00 r/min,逐滴加入馬來酸酐分散劑,繼續(xù)攪拌1 h,停止加熱,繼續(xù)攪拌直至懸浮液冷卻,過濾,去離子水洗滌,反復(fù)2~3次,即得鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系預(yù)備體。將預(yù)備體放入坩堝中,振實(shí)放入馬弗爐中,在預(yù)定溫度下煅燒4 h,隨爐冷卻后,將煅燒得到的樣品研磨成粉末狀。
采用XRD分析儀(D8 Advance,德國(guó)Bruker公司)對(duì)新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉進(jìn)行物相分析;采用Hitachi4800型場(chǎng)發(fā)射SEM觀察新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉微觀形貌并進(jìn)行分析;采用熒光分光光度計(jì)測(cè)定新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉的發(fā)射光譜。
2?結(jié)果和討論
2.1? 新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉微觀形貌分析
圖1為溶膠凝膠法+高溫固相法制備的新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉表面形貌,圖2為高溫固相法制備的新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉表面形貌。從SEM圖中可以看出,用兩種方法制備的新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉樣品晶粒都呈不規(guī)則顆粒結(jié)構(gòu),溶膠凝膠法+高溫固相法制備的熒光粉樣品顆粒結(jié)晶性較好,粒徑較小,大約為100 nm,顆粒較飽滿,基本沒有凹洞;高溫固相法制備的熒光粉樣品粒徑較大,約為150 nm,顆粒較規(guī)則。
2.2? 新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉結(jié)構(gòu)分析
圖3為溶膠凝膠法+高溫固相法制備的新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉XRD物相分析圖譜,從中可以看出:與Sr2FeWo6標(biāo)準(zhǔn)卡片相比[7-9],圖中顯示的衍射圖樣與SrMg(Mo,W)Eu基本一致,樣品結(jié)構(gòu)為鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系結(jié)構(gòu),熒光粉在36.2°、44.0°、50.0°左右都出現(xiàn)了雜峰,可能生成SrMoO4Eu和SrWO4Eu,說明該制備方法得到的樣品類似SrWO6Eu的四方相,熒光粉峰均非尖銳,說明結(jié)晶性好;但雜峰多,說明在制備過程中原材料反應(yīng)不完全、雜質(zhì)相較多,可能是由于高溫固相法煅燒不完全,應(yīng)適當(dāng)提高高溫固相法煅燒溫度與梯度。
2.3? 新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉發(fā)光特性
圖4為新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉的發(fā)射光譜。圖4顯示,熒光粉發(fā)光區(qū)域在480~680 nm,與葉綠素a、b和類胡蘿卜素等色素所吸收的藍(lán)光波段(400~500 nm)以及紅光波段(620~690 nm)控制光合作用的光源相符,主發(fā)射峰在615 nm處,此處為紅光發(fā)射。主發(fā)射峰呈現(xiàn)明顯的先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì),從而發(fā)生濃度猝滅。一般Eu3+濃度的增加會(huì)使輻射躍遷的概率增加,從而導(dǎo)致濃度猝滅的發(fā)生。另一種說法是因?yàn)榻粨Q作用,輻射重吸收和多極相互作用都屬于非輻射躍遷,也會(huì)導(dǎo)致濃度猝滅現(xiàn)象的發(fā)生[10]。新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉的主要躍遷是通過基質(zhì)吸收能量船體給稀土離子Eu3+、MO6+后5D0-7F2發(fā)生電偶及躍遷[11],紅色熒光粉中的Eu3+很好地進(jìn)入了非對(duì)稱中心位置[12],從而發(fā)出熒光,新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系保留了原有的鉬酸鹽激發(fā)波長(zhǎng),且鎢鉬離子參加反應(yīng),近紫外激發(fā)芯片更能激發(fā)熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng),更適合實(shí)際應(yīng)用。
從圖4可以看出,當(dāng)波長(zhǎng)為610 nm時(shí),新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉具有很高的發(fā)射強(qiáng)度,大約為1 100,結(jié)合SEM和XRD圖得到:新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉的配比及制備方法使熒光粉具有更加優(yōu)異的發(fā)光性能,用近紫外激發(fā)芯片更能激發(fā)熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng),更適合實(shí)際應(yīng)用。
3?結(jié)論
(1)采用溶膠凝膠法+高溫固相法制備的新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉的顆粒粒徑較小,為100 nm左右,且基本沒有凹洞,顆粒飽滿。
(2)通過新型鎢鉬酸鹽-雙鈣鈦礦體系熒光粉XRD和發(fā)射光譜分析可知,采用溶膠凝膠法+高溫固相法制備的熒光粉具有更加優(yōu)異的發(fā)光性能。
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