共沉淀法制备Y2SiO5:Pr3+上转换纳米荧光粉

陈林，庞才良，陈丽芳，宋志鹏

共沉淀法制备Y2SiO5:Pr3+上转换纳米荧光粉

陈林1,2，庞才良1,2，陈丽芳1,2，宋志鹏2

（1. 江西省工业陶瓷重点实验室；2. 萍乡学院 材料与化学工程学院，江西 萍乡 337000）

采用共沉淀法制备了Y2SiO5:Pr3+上转换纳米荧光粉，通过XRD、FE-SEM和FL对样品的物相、形貌和发光性能进行了分析表征，结果表明：所得样品为Y2SiO5:Pr3+纯相，平均粒径为50 nm左右，可将450～550nm的可见光转换成260～400nm的近紫外光；最佳煅烧温度为1100℃，SiO2的最佳加入量为理论量的1.2倍。

上转换发光；Y2SiO5:Pr3+；纳米；共沉淀法

1 引言

上转换(up-conversion，UC)发光是一种非线性光学过程，属于反斯托克斯发光过程，可以将低能量或低频率的激发光转变成高能量或高频率的发射光，实现能量或频率的"上转换"光致发光[1–5]。上转换发光纳米粒子(up-conversion nanoparticles，UCNPs)由于表现出较强的光稳定性和化学稳定性、较长的发光寿命，在光催化、生物应用和太阳能电池等领域得到了广泛的应用[3-4]。基质材料是影响上转换发光特性的一个重要因素，目前基质材料一般都是氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、卤化物等。正硅酸钇(Y2SiO5)具有高的热稳定性和化学稳定性以及良好的光学性能，是一种优良的上转换发光的基质材料[6–9]。当前，可以将可见光转换为紫外光的以Y2SiO5为基质的上转换发光材料的研究报道不多，早期研究的稀土掺杂Y2SiO5的上转换发射主要在可见光区[9–12]。本文采用共沉淀法制备Y2SiO5:Pr3+上转换纳米荧光粉，实现了将450～550nm的可见光转换成260～400nm的近紫外光，从而可应用于光催化领域，使光催化剂的光谱吸收范围从紫外区扩展到可见光区，提高光催化性能[4,6,13–15]。

2 实验

2.1 样品制备

本实验以Y2O3(AR)，Ca(NO3)2·4H2O (AR)，Pr2O3(4N)，HNO3(AR)，气相SiO2(AR)，C6H8O7(AR)，(NH4)6Mo7O24(AR)等为原料，采用共沉淀法合成Y2SiO5:Pr3+上转换纳米荧光粉，具体实验步骤如下：

（1）按照摩尔比Pr:Y=1:99，准确称取Pr2O3(4N)和Y2O3(AR)置于烧杯中，然后加入稀硝酸加热至其完全溶解成混合溶液A待用；

（2）按Y2SiO5的化学计量比称取一定量的气相SiO2(AR)，加入预先加有5mL无水乙醇和15mL去离子水的烧杯中，再加入一定量的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，AR)，将烧杯置于超声分散仪中超声分散5min后倒入混合溶液A中形成混合液B待用；

（3）按混合溶液A中Y、Pr的摩尔总量的1.5倍，称取适量的NH4HCO3(AR)，溶于5mL浓氨水中，在磁力搅拌的条件下匀速滴入混合液B反应生成白色沉淀，滴加完成后继续搅拌30min使反应完成，然后将沉淀物过滤、洗涤5次后烘干。

（4）将干燥后的沉淀物置于马弗炉中在一定温度下煅烧1h，随炉冷却后即得到Y2SiO5:Pr3+上转换纳米荧光粉。

2.2 测试表征

通过X射线衍射仪(XRD，Bruker D8 Advance，Cu靶，Kα= 0.15406 nm)对所得样品进行物相分析。采用荧光光谱仪（HitachiF-7100，150 W Xe Lamp）测试所得样品的激发光谱与发射光谱。采用荧光光谱仪(Hitachi F-4600, 150 W Xe Lamp, Scan speed: 1200 nm/min，激发狭缝2.5 nm，发射狭缝2.5 nm，电压为400V)。采用冷场发射扫描电镜(FE-SEM，HitachiSU-8010)对样品的形貌进行分析。样品的所有测试数据均在室温下测得。

3 结果与讨论

3.1 煅烧温度对Y2SiO5: Pr3+发光性能的影响

图1是在不同温度下煅烧所得样品的XRD图谱。由图1可知，当煅烧温度为850℃时，所得样品的衍射峰位置、强度分布与Y2O3标准卡(PDF043-1036)相符，未发现Y2SiO5的衍射峰，这说明850℃煅烧所得产物为Y2O3，还未生成Y2SiO5晶相；当煅烧温度为900℃时，在2=29.33°处的Y2O3(PDF043-1036)衍射峰强度最高，然后随着煅烧温度升高而逐步降低，当煅烧温度为1100℃时已观察不到该峰，这说明随着煅烧温度升高Y2O3的含量逐渐减少，到1100℃时已可忽略；当煅烧温度为900℃及以上时，在2=16.40°、31.02°、32.52°处出现了Y2SiO5(PDF052-1810)的衍射峰，且随着煅烧温度的升高，Y2SiO5在2=32.52°处的第一强峰的峰强度先增加后降低，煅烧温度为1100℃时强度最高，且未发现杂峰，这说明1100℃煅烧所得产物为Y2SiO5:Pr3+的纯相，且结晶度最好。

图2是1100℃煅烧所得Y2SiO5:Pr3+的SEM照片。从照片中可以看出，所得Y2SiO5:Pr3+上转换发光粉体的平均粒径约为50nm左右，粒径分布均匀。

图1 不同温度煅烧所得Y2SiO5:Pr3+的XRD图谱

图2 1100℃煅烧所得Y2SiO5:Pr3+的SEM照片

图3为不同煅烧温度下所得Y2SiO5:Pr3+的激发光谱和发射光谱图。

图3 不同煅烧温度煅烧所得Y2SiO5:Pr3+的光谱图

由图3(a)可知，Y2SiO5: Pr3+的激发光谱是位于450～550nm范围最强峰为498nm的一个宽带谱。由图3(b)可知，在498nm的可见光激发下，Y2SiO5: Pr3+的发射光谱位于260～400nm范围的紫外光区，由位于289nm和340nm的两个宽峰组成，最强发射峰为289nm。因此，Y2SiO5: Pr3+可以将450～550nm的可见光转换成260～400nm的紫外光。图3中的曲线表明，随着煅烧温度升高，所得Y2SiO5: Pr3+的发光强度先升高后降低，当煅烧温度为1100℃时所得Y2SiO5: Pr3+的发光强度最高。结合图1的XRD分析结果可知，当煅烧温度为1100℃时所得Y2SiO5: Pr3+的纯相，结晶最好，所以其发光强度最高。因此，最佳煅烧温度为1100℃。

3.2 SiO2加入量对Y2SiO5: Pr3+发光性能的影响

图4是在煅烧温度为1100℃条件下，加入不同SiO2量(理论加入量的1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍)所得Y2SiO5:Pr3+的XRD图谱。

图4 不同SiO2加入量所得Y2SiO5:Pr3+的XRD图谱

由图4可知，不同SiO2加入量所得Y2SiO5:Pr3+的衍射峰位置、强度分布均匀Y2SiO5标准卡（PDF052-1810）相吻合，未出现杂峰，且衍射峰的强度基本一致。这说明加入不同量的SiO2，对产物的物相结构影响不大，产物的均为Y2SiO5:Pr3+纯相，晶化程度都很高。

图5是在煅烧温度为1100℃条件下，加入不同SiO2量(理论加入量的1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍)所得Y2SiO5:Pr3+的发射光谱图。

图5 不同SiO2加入量所得Y2SiO5:Pr3+的发射光谱图

由图5可知，随着SiO2的加入量的增加，所得Y2SiO5:Pr3+的发光强度先增加后变化不明显，当SiO2的加入量为理论量的1.2倍时，发光强度最强，再继续加大SiO2的加入量，发光强度变化不明显。所以，SiO2的最佳加入量为理论量的1.2倍。

4 结论

（1）采用共沉淀法制备了平均粒径约为50nm的Y2SiO5:Pr3+上转换纳米荧光粉，可将450～550nm的可见光转换成260～400nm的近紫外光，最强激发峰为498nm，最强发射峰为289nm。

（2）煅烧温度、SiO2加入量对Y2SiO5:Pr3+的发光强度有较大影响，随着煅烧温度升高其发光强度先增强后减弱，1100℃时发光强度最强；SiO2的加入量对Y2SiO5:Pr3+的物相纯度、结晶度影响较小，但发光强度随SiO2的加入量的增加先增加后变化不明显，当SiO2的加入量为理论量的1.2倍时，发光强度最强。

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Preparation of Y2SiO5:Pr3+Upconversion Nano Phosphors by Co-precipitation

CHEN Lin1,2PANG Cai-liang1,2CHEN Li-fang1,2, SONG Zhi-peng2

(1. Key laboratory of Industrial Ceramics of Jiangxi Province, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000; 2. School of Materials and Chemical Engineering, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

Y2SiO5:Pr3+upconversion nano phosphors were prepared by co-precipitation method. The phase, morphology and luminescence properties of the samples were characterized by XRD, FE-SEM and FL. The results showed that the obtained samples were pure Y2SiO5:Pr3+phase, the average particle size is about 50 nm, and the visible light of 450～550nm can be converted into near-ultraviolet light of 260～400nm; The optimal calcination temperature is 1100℃, and the optimal addition amount of SiO2is 1.2 times the theoretical amount.

up-conversion luminescence; Y2SiO5:Pr3+; nano; coprecipitation

2022-05-13

江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ191369）

陈林(1981—)，男，湖南益阳人，副教授，硕士，研究方向：稀土发光及光催化材料。

TB321

A

2095-9249（2022）03-0046-04

〔责任编校：陈楠楠〕