实验一燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4Eu3+ 完成.docx
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实验一燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4Eu3+完成
本科生实验报告
实验课程材料设计与制备综合实验
学院名称材料与化学化工学院
专业名称材料科学与工程
学生姓名冯有增
学生学号201202040223
指导教师邱克辉
实验地点C201
实验成绩
二〇一五年五月——二〇一五年六月
填写说明
1、适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）；
2、专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；
3、格式要求：
1用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。
2打印排版：
正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。
字符间距为默认值（缩放100%，间距：
标准）；页码用小五号字底端居中。
3具体要求：
题目（二号黑体居中）；
摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体）；
关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体）；
正文部分采用三级标题；
第1章××（小二号黑体居中，段前0.5行）
1.1×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行）
1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）
参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T7714－2005）》。
实验一燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4:
Eu3+
一、实验名称：
燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4:
Eu3+
二、实验目的：
1、掌握燃烧法的实验原理和材料的基本测试方法；
2、掌握燃烧法合成Li2CaSiO4:
Eu3+粉体的制备过程；
3、研究Eu3+浓度变化对荧光粉发光性能的影响；
三、实验原理
燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。
当反应物达到放热反应的点火温度时，以某种方法点燃，随后的反应即由放出的热量维持，燃烧产物就是拟制备的目标产物。
其基本原理是将反应原料制成相应的硝酸盐，加入作为燃料的尿素（还原剂），在一定的温度下加热一定时间，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧得到产物。
nSi（O2C2H5）4+nH2O==nSi（OH）4+4nC2H5OH
6LiNO3+3Ca（NO3）2+3Si（OH）4+12CO（NH2）2==3Li2CaSiO4+12CO2+4NH3+24H2O+16N2
用燃烧法合成发光材料具有相当的适用性，燃烧过程产生的气体还可充当还原保护气氛，并具备不需要复杂的外部加热设备，工艺过程简便，反应迅速，产品纯度高，发光亮度不易受损，节省能源等优点，是一种很有意义的高效节能合成方法。
四、实验药品及仪器
药品：
三氧化二铕（Eu2O3），硝酸钙（Ca（NO3）2·4H2O），尿素，正硅酸乙酯（Si（OC2H5）4），硝酸锂（LiNO3），浓HNO3，去离子水。
仪器：
电子天平，量筒，烧杯，移液管，磁力搅拌器，恒温干燥箱，刚玉坩埚，马弗炉，X射线粉晶衍射仪（XRD），荧光光谱仪（FL）。
五、注意事项
1、准确称量样品；
2、严格按照实验流程操作；
3、注意安全；
六、实验配比
按Li2Ca1-xSiO4:
xEu3+（x=0.03，0.04，0.05，0.06）配比，以Eu3+浓度为变量设计实验，实验共计4组，各实验药品质量/体积如下表所示：
药品名称
实验编号
质量（g/ml）
硝酸锂
1、2、3、4
1.379（g）
正硅酸乙酯
1、2、3、4
2.33（ml）
尿素
1、2、3、4
2.4（g）
乙醇
1、2、3、4
4（ml）
硝酸
1、2、3、4
2（滴）/1（ml）
水
1、2、3、4
2（ml）/5（ml）
硝酸钙
1
2.2910（g）
2
2.2670（g）
3
2.2434（g）
4
2.2198（g）
氧化铕
1
0.0528（g）
2
0.0704（g）
3
0.0880（g）
4
0.1056（g）
七、实验步骤：
1、用量筒量取一定量的正硅酸乙酯溶液缓慢滴加到适量的乙醇和水混合溶液中，并添加少量HNO3作为催化剂，置于磁力搅拌器上常温搅拌0.5小时，得到正硅酸乙酯的水解溶液A；
2、按Li2Ca1-xSiO4:
xEu3+（x=0.05，0.07，0.9，0.11）化学计量比，精确称取各原料。
3、将称取的Eu2O3溶解于浓HNO3（需要用电炉加热）得到溶液B，将事先称好的Ca（NO3）2·4H2O、LiNO3溶于适量水，配成溶液C；
4、将B、C溶液加入到溶液A中，再加入称量好的尿素，在75℃继续加热搅拌0.5小时左右，得无色凝胶；
5、将上述溶胶快速转移到刚玉坩埚中，置于马弗炉中，于700℃恒温焙烧1小时后取出得白色粉末样品；
6、采用XRD、FL等测试方法对样品进行测试分析。
八、实验流程简图：
九、实验现象观察与记录
观察记录溶解、搅拌过程中的实验现象，对得到的样品性状特征进行描述。
在暗室中，通过紫外灯照射合成样品，初步观察样品的发光亮度和发光颜色，对不同实验条件下合成样品的发光情况进行相互对比，来观察不同的实验条件对合成样品发光情况的影响。
十、测试与分析
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱等测试，进行合成物的物相组成、发光性能等分析，分析了解样品的发光性能与合成工艺参数之间的关系。
1、不同实验配比对样品物相的影响
燃烧法所得系列样品Li2Ca1-xSiO4:
xEu3+ （x=0.03，0.04，0.05，0.06）的衍射图谱如图1所示。
图1
由图可知，Li2Ca1-xSiO4:
xEu3+ 的不同实验配比（x=0.03，0.04，0.05，0.06），对样品的物相结构没有明显的改变，由Jade软件对x=0.03，x=0.04，x=0.05，x=0.06这4组不同配比样品的XRD图谱进行分析，结果显示样品的衍射数据与Li2CaSiO4的标准卡（JCPDS NO.27-0290）基本相同，且4组样品的XRD峰位及其大小锐度也十分相似。
说明不同实验配比（x=0.03，0.04，0.05，0.06）对燃烧法制得的样品的物相结构没有明显影响。
2、Li2CaSiO4:
Eu3+发光性能
下图2为Li2CaSiO4:
Eu3+的发光性能图谱。
由图2，Li2CaSiO4:
Eu3+在紫外光的激发下，其发光最强锐的峰线位于392nm，即样品在波长为392nm光的激发下发出的光强度最强；图3是在392nm紫外光的激发下的激发光谱，Li2CaSiO4:
Eu3+的主发射峰位于620nm，发射的光为红光波段，即样品在紫外光的激发下发红光。
图2图3
3、Eu3+浓度对发光性能的影响
Li2CaSiO4:
Eu3+是以Eu3+离子为发光中心的发光材料，所以Eu3+离子浓度对材料性能十分重要。
本实验针对不同Eu3+浓度进行了实验，观察Eu3+掺杂浓度的变化对发光材料的影响。
图4
从图4中可以看出，在不同的Eu3+掺量下，样品的激发光谱形状基本相同，发光最强锐的峰线位于392nm。
说明不同的Eu3+掺量下，样品均是在波长为392nm光的激发下发出的光强度最强。
但在固定波长光的激发下，Eu3+掺量从x=0.03增加到x=0.04，样品激发强度减小；当x=0.05增加到x=0.06时，样品激发强度增大。
图5
从图5中可以看出，在不同的Eu3+掺量下，样品的发射光谱形状基本相同， 发射主峰均位于620nm。
当稀土Eu3+掺量从x=0.03增加到x=0.04时，样品的发射光谱强度逐渐减弱；当Eu3+掺量从x=0.05增加到x=0.06时，样品的发射光谱强度则逐渐增强。
当Eu3+的掺量在x=0.06时，样品的发光亮度以及余辉时间都比较大。
这是因为Eu3+离子的掺量越高，将具有更多的掺杂离子进入基质晶格，形成更多的发光中心，促进发光亮度的提高。
在这过程中，Eu3+的辐射跃迁占据主导地位，所以发光强度随着Eu3+的掺量提高呈现急剧的增长趋势。
十一、 实验结论
本实验采用燃烧法合成红色发光材料Li2CaSiO4:
Eu3+，探究了实验配比和不同热处理方法对实验制得样品的物相结构和发光性能的影响。
经过相关的分析得出结论如下：
燃烧法制备Li2Ca1-xSiO4:
xEu3+ ，实验配比的不同（x=0.03，0.04，0.05，0.06）对物相结构没有明显影响，其激发光谱和发射光谱的形状基本相同；但实验配比影响发光强度，实验证明Li2Ca1-xSiO4:
xEu3+ 当x=0.06具有最强的发光强度。
实验二溶胶凝胶法合成红色发光材料Bi4Si3O12:
Eu3+
一、实验名称：
溶胶凝胶法合成红色发光材料Bi4Si3O12:
Eu3+
二、实验目的：
1、掌握溶胶凝胶法的实验原理和材料的基本测试方法；
2、掌握溶胶凝胶法合成Bi4Si3O12:
Eu3+粉体的制备过程；
3、研究Eu3+浓度变化对荧光粉发光性能的影响；
三、实验原理
溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。
凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
一般是将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。
其最基本的反应是：
1、水解反应：
M（OR）n+xH2O→M（OH）x（OR）n－x+xROH
2、聚合反应：
－M－OH+HO－M－→－M－O－M－+H2O
－M－OR+HO－M－→－M－O－M－+ROH
溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：
1、由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。
2、由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。
3、与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶-凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。
4、选择合适的条件可以制备各种新型材料。
溶胶-凝胶法也存在某些问题：
通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长（主要指陈化时间），常需要几天或者几周；还有就是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。
四、实验药品及仪器
药品：
Eu2O3（氧化铀）、BiN3O9.5H2O（五水硝酸铋）、TEO（正硅酸乙酯）、稀硝酸（HNO3）、乙醇、柠檬酸、去离子水
仪器：
电子天平，量筒，烧杯，移液管，磁力搅拌器，恒温干燥箱，刚玉坩埚，马弗炉，X射线粉晶衍射仪（XRD），荧光光谱仪（FL）。
五、实验配比
按（Bi1-xEux）4Si3O12（x=0.01,0.015,0.02,0.025）为配比，以Eu3+浓度为变量设计实验，实验共计4组，各实验药品质量/体积如下表所示：
药品名称
实验编号
质量（g/ml）
正硅酸乙酯
1-9
3.3637（ml）
乙醇
1-9
3.3637（ml）
硝酸
1-9
2（滴）/2（ml）
水
1-9
2（ml）/5（ml）
柠檬酸
1-9
2.1024g
五水硝酸铋
1
9.6044（g）
2
9.5559（g）
3
9.5074（g）
4
9.4104（g）
氧化铕
1
0.0352（g）
2
0.0528（g）
3
0.0704（g）
4
0.1056（g）
六、注意事项：
1、准确称量样品；
2、严格按照实验流程操作；
3、注意安全；
七、实验步骤：
1、用量筒量取一定量的正硅酸乙酯溶液缓慢滴加到适量的乙醇和水混合溶液中，称取一定量的柠檬酸加入，置于磁力搅拌器上常温搅拌30分钟，得到正硅酸乙酯的水解溶液A；
2、按（Bi1-xEux）4Si3O12（x=0.01,0.015,0.02,0.025）化学计量比，精确称取各原料。
3、将称取的Eu2O3溶解于浓HNO3（需要用电炉加热）得到溶液B，将事先称好的BiN3O9.5H2O溶于适量水，配成溶液C；
4、将B溶液加入到溶液C中，在75℃继续加热搅拌0.5小时左右，得无色透明液体；
5、将A溶液倒入B、C混合液中，在磁力搅拌器搅拌10分钟，静置形成透明凝胶，置于干燥箱中，于70℃恒温干燥24小时后取出；转移至刚玉坩埚中，在880℃的马弗炉中保温燃烧5h，取出得到白色粉末样品。
6、采用XRD、FL等测试方法对样品进行测试分析。
八、实验现象观察与记录
观察记录溶解、搅拌过程中的实验现象，对得到的样品性状特征进行描述。
在暗室中，通过紫外灯照射合成样品，初步观察样品的发光亮度和发光颜色，对不同实验条件下合成样品的发光情况进行相互对比，来观察不同的实验条件对合成样品发光情况的影响。
九、测试与分析
将合成样品进行X射线衍射、荧光光谱等测试，进行合成物的物相组成、发光性能等分析，分析了解样品的发光性能与合成工艺参数之间的关系。
1、不同实验配比对样品物相的影响
溶胶凝胶法合成红系列色发光材料（Bi1-xEux）4Si3O12（x=0.01,0.015,0.02,0.025）的衍射图谱如图1所示。
图1
由图可知，（Bi1-xEux）4Si3O12的不同实验配比（x=0.01,0.015,0.02,0.025），对样品的物相结构没有明显的改变，由Jade软件对x=0.01,0.015,0.02,0.025这4组不同配比样品的XRD图谱进行分析，结果显示4组样品的XRD峰位及其大小锐度也十分相似。
说明不同实验配比（x=0.01,0.015,0.02,0.025）对燃烧法制得的样品的物相结构没有明显影响。
2、Bi4Si3O12:
Eu3+发光性能
图2图3
上图2为Bi4Si3O12:
Eu3+的发光性能图谱。
由图2，Bi4Si3O12:
Eu3+在紫外光的激发下，其发光最强锐的峰线位于267nm，即样品在波长为267nm光的激发下发出的光强度最强；图3是在267nm紫外光的激发下的激发光谱，Bi4Si3O12:
Eu3+的主发射峰位于614nm和595nm处，发射的光为红光波段，即样品在紫外光的激发下发红光。
3、Eu3+浓度对发光性能的影响
Bi4Si3O12:
Eu3+是以Eu3+离子为发光中心的发光材料，所以Eu3+离子浓度对材料性能十分重要。
本实验针对不同Eu3+浓度进行了实验，观察Eu3+掺杂浓度的变化对发光材料的影响。
图4
从图4中可以看出，在不同的Eu3+掺量下，样品的激发光谱形状基本相同，发光最强锐的峰线位于267nm。
说明不同的Eu3+掺量下，样品均是在波长为267nm光的激发下发出的光强度最强。
但在固定波长光的激发下，Eu3+掺量从x=0.01增加到x=0.02，样品激发强度增强；当x=0.02增加到x=0.025时，样品激发强度反而减小，因此在x=0.02处最大。
图5
从图5中可以看出，在不同的Eu3+掺量下，样品的发射光谱形状基本相同， 发射主峰均位于614nm和595nm处。
当稀土Eu3+掺量从x=0.01增加到x=0.02时，样品的发射光谱强度逐渐增强；当Eu3+掺量从x=0.02增加到x=0.025时，样品的发射光谱强度则逐渐减弱。
当Eu3+的掺量在x=0.02时，样品的发光亮度以及余辉时间都比较大。
这是因为Eu3+离子的掺量越高，将具有更多的掺杂离子进入基质晶格，形成更多的发光中心，促进发光亮度的提高。
在这过程中，Eu3+的辐射跃迁占据主导地位，所以发光强度随着Eu3+的掺量提高呈现急剧的增长趋势。
而当Eu3+的掺量超过x=0.02时，Eu3+之间的距离足够近，它们之间的相互作用增强，受到激发时跃迁的趋势减小，使得交叉驰豫占据主导地位，所以当掺量大于x=0.02时，材料的发光亮度不但不会提高反而会降低，甚至不发光。
十、 实验结论
本实验采用溶胶凝胶法合成红色发光材料Bi4Si3O12:
Eu3+，探究了实验配比对实验制得样品的物相结构和发光性能的影响。
经过相关的分析得出结论如下：
溶胶凝胶法合成红色发光材料Bi4Si3O12:
Eu3+，实验配比的不同（x=0.01,0.015,0.02,0.025）对物相结构没有明显影响，其激发光谱和发射光谱的形状基本相同；但实验配比影响发光强度，实验证明Bi4Si3O12:
Eu3+ 当x=0.02具有最强的发光强度。
学生实验心得
通过这次材料设计与制备的实验,使我对材料设计与制备这门课程有了更深入的理解，让我我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅。
学生（签名）：
年月日
指导
教师
评语
成绩评定：
指导教师（签名）：
年月日
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