Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm silcat pha tạp mangan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƢU THỊ NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT PHÁT QUANG KẼM SILICAT PHA TẠP MANGAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƢU THỊ NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT PHÁT QUANG KẼM SILICAT PHA TẠP MANGAN Chuyên ngành: Hóa vô Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN TRỌNG UYỂN 2: PGS.TS LÊ XUÂN THÀNH HÀ NỘI – 2015 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, GS TS Nguyễn Trọng Uyển PGS TS Lê Xuân Thành tận tình hướng dẫn suốt trình nghiên cứu thực nghiệm để hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo, bạn sinh viên Bộ môn Công nghệ chất vô – Khoa Công nghệ hóa học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Tôi xin cảm ơn thầy cô truyền đạt kiến thức cho suốt chương trình học cao học, cảm ơn bạn học viên Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học tự nhiên tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Cuối cùng, xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình người thân bên cạnh chia sẻ, bảo ban động viên tạo điều kiện tốt để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2015 Học viên cao học Lƣu Thị Ngọc Hà MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN 10 1.1 Giới thiệu chung chất phát quang 10 1.1.1 Định nghĩa chất phát quang 10 1.1.2 Phân loại chất phát quang 10 1.1.3 Ứng dụng chất phát quang Error! Bookmark not defined 1.2 Chất phát quang vô Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu tạo chất phát quang vô Error! Bookmark not defined 1.2.2 Quá trình phát quang chất phát quang vô dạng tinh thể Error! Bookmark 1.2.3 Giản đồ cấu hình lượng trình phát quang Error! Bookmark not define 1.2.4 Sơ đồ chế phát quang Error! Bookmark not defined 1.3 Chất phát quang Kẽm silicat kích hoạt Mangan (Zn2SiO4:Mn) .Error! Bookmark not defined 1.3.1 Giới thiệu chung Silicat Error! Bookmark not defined 1.3.2 Kẽm silicat (Zn2SiO4) chất phát quang kẽm silicat Error! Bookmark not defined 1.3.3 Các phương pháp tổng hợp chất phát quang Zn2SiO4:Mn Error! Bookmark not defi CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined 2.1 Nguyên liệu thiết bị thí nghiệm .Error! Bookmark not defined 2.2 Quy trình thực nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2.1 Chuẩn bị dung dịch ban đầu Error! Bookmark not defined 2.2.2 Tổng hợp Zn2SiO4:Mn theo phương pháp precursor Error! Bookmark not defined 2.3 Các phƣơng pháp phân tích Error! Bookmark not defined 2.3.1 Phương pháp chuẩn độ Complexon III Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phương pháp đo phổ huỳnh quang Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 2.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét Error! Bookmark not defined CHƢƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Phƣơng pháp precursor dùng NaOH Error! Bookmark not defined 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NaOH Error! Bookmark not defined 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng chất hoạt động bề mặt sorbitol Error! Bookmark not defin 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng chất hoạt động bề mặt Tween 80 Error! Bookmark not def 3.2 Phƣơng pháp precursor dùng NH4OH Error! Bookmark not defined 3.2.1 Khảo sát cường độ phát quang hệ dùng NH4OH so với hệ dùng NaOH Error! Bookm 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NH4OH Error! Bookmark not defined 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng amoni citrat Error! Bookmark not defined 3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất hoạt động bề mặt Tween 80 Error! Bookmark KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NaOH Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 : Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Sorbitol với hệ dùng NaOH Error! Bookmark not d Bảng 3.3: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Tween 80 với hệ dùng NaOH Error! Bookmark not Bảng 3.4: So sánh khả tổng hợp hệ dùng NaOH NH4OH Error! Bookmark not d Bảng 3.5: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NH4OH Error! Bookmark not defined Bảng 3.6: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng amoni citrat với hệ dùng NH4OH Error! Bookmark Bảng 3.7: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Tween 80 với hệ dùng NH4OH Error! Bookmark no DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Một số dạng khuyết tật tinh thể Error! Bookmark not defined Hình 1.2: Giản đồ cấu hình lượng Error! Bookmark not defined Hình 1.3: Sơ đồ chế phát quang tái hợp tức thời Error! Bookmark not defined Hình 1.4: Sơ đồ chế phát quang tái hợp kéo dài Error! Bookmark not defined Hình 1.5: Tứ diện [SiO4]4- Error! Bookmark not defined Hình 1.6: Octosilicat 12 Hình 1.7: Sorosilicat Error! Bookmark not defined Hình 1.8: Xiclosilicat 13 Hình 1.9: Inosilicat (A: Pyroxen, B: Amphibon) Error! Bookmark not defined Hình 1.10: Phylosilicat 13 Hình 1.11: 3D silicat Error! Bookmark not defined Hình 1.12: Tinh thể Zn2SiO4 15 Hình 1.13: Sơ đồ mức lượng trình phát quang Willemite:Mn 15 Hình 2.1: Sơ đồ tổng hợp Zn2SiO4:Mn theo phương pháp nung kết từ precursor Error! Bookma Hình 2.2: Sự nhiễu xạ tia X mạng tinh thể Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp đo SEM Error! Bookmark not defined Hình 3.1: Phổ huỳnh quang mẫu bảng 3.1 Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Giản đồ XRD mẫu 1.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Ảnh SEM mẫu 1.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.4: Phổ huỳnh quang mẫu bảng 3.2 Error! Bookmark not defined Hình 3.5: Giản đồ XRD mẫu 2.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.6: Ảnh SEM mẫu 2.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.7: Phổ huỳnh quang mẫu bảng 3.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.8: Giản đồ XRD mẫu 3.3 (dùng Tween 80) Error! Bookmark not defined Hình 3.9: Ảnh SEM mẫu 3.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.10: Phổ huỳnh quang mẫu 4.1 mẫu 4.2 Error! Bookmark not defined Hình 3.11: Phổ huỳnh quang Bảng 3.5(dùng amoniac) Error! Bookmark not defined Hình 3.12: Giản đồ XRD mẫu 5.5 Error! Bookmark not defined Hình 3.13: Ảnh SEM mẫu 5.5 (dùng amoniac) Error! Bookmark not defined Hình 3.14: Phổ huỳnh quang mẫu bảng 3.6 Error! Bookmark not defined Hình 3.15: Giản đồ XRD mẫu 6.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.16: Ảnh SEM mẫu 6.3 Error! Bookmark not defined Hình 3.17: Phổ huỳnh quang mẫu bảng 3.7 Error! Bookmark not defined Hình 3.18: Giản đồ XRD mẫu 7.4 Error! Bookmark not defined Hình 3.19: Ảnh SEM mẫu 7.4 Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU Ngày nay, chất phát quang vô ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đời sống Chúng dùng chế tạo đèn ống, trang trí, loại sơn… Trong đó, chất phát quang kẽm silicat kích hoạt mangan quan tâm độ bền cao, cường độ phát quang mạnh, thích hợp sử dụng lĩnh vực bảo mật tạo mã vạch, đánh dấu sản phẩm, ngân phiếu tiền giấy… Hiện giới có nhiều công trình nghiên cứu với mục đích nâng cao chất lượng hoàn thiện công nghệ chế tạo kẽm silicat kích hoạt mangan Trong phạm vi luận văn trọng tới nhiệm vụ chính: - Chế tạo chất phát quang kẽm silicat hoạt hóa mangan - Nghiên cứu nâng cao khả phát quang sản phẩm số phụ gia thích hợp Do thời gian có hạn, luận văn tránh khỏi nhiều sai sót, kính mong nhận bảo đóng góp thầy cô bạn CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung chất phát quang 1.1.1 Định nghĩa chất phát quang [1, 2, 4, 6] Chất phát quang phát giới hợp chất Phôtpho Năm 1669, nhà giả kim Hennig Brand (người Đức) nghiên cứu nguyên tố Phôtpho điều chế chất bột trắng có khả phát sáng bóng tối Từ đó, thuật ngữ “Phosphors” thường dùng để chất có khả phát sáng mà không nhận thấy dấu hiệu trình cháy lửa hay tỏa nhiệt mắt thường Ngày nay, nhà khoa học điều chế thêm nhiều chất phát quang phát sáng tác dụng xạ, nhiệt Như vậy, chất phát quang định nghĩa chung hợp chất có khả hấp thụ lượng dạng khác phát ánh sáng nhìn thấy 1.1.2 Phân loại chất phát quang [1, 3, 6] 1.1.2.1 Phân loại theo thành phần: - Chất phát quang vô - Chất phát quang hữu 1.1.2.2 Phân loại theo thời gian phát quang sau ngừng kích thích: - Chất huỳnh quang (flourescence) chất phát quang không kéo dài 10-8 giây sau ngừng kích thích - Chất lân quang (phosphorescence) chất phát quang phát quang kéo dài 10-8 giây sau ngừng kích thích 1.1.2.3 Phân loại theo nguồn kích thích: - Quang phát quang kích thích phôtôn ánh sáng - Điện phát quang kích thích điện trường - Nhiệt phát quang kích thích nhiệt lượng - Phát quang dùng nguồn tia âm cực để kích thích - Cơ phát quang kích thích tương tác học - Hóa phát quang lượng phản ứng hóa học - Chất phát quang kích thích tia X TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1.Bùi Thị Vân Anh (2007), Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm silicat kích hoạt mangan, Luận văn thạc sĩ hóa học, Trường Đại học bách khoa Hà Nội La Văn Bình (2000), Khoa học công nghệ vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội Hoàng Ngọc Cang, Hoàng Nhâm (1990), Hóa học vô cơ, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp Hà Nội Lê Công Dưỡng (1997), Vật liệu học, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Từ Văn Mặc (2003), Phân tích hóa lý phương pháp phổ nghiệm nghiên cứu cấu trúc phân tử, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Phan văn Tường (2005), Vật liệu vô cơ, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Văn Xuyến (2004), Cấu tạo phân tử liên kết hóa học, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Tiếng Anh Antoinette Morell and Nathalie Goumard (1997), Phosphor material based on manganese – doped zinc silicate and method for obtaining such a material, Patent number: US5645761 A Roy, S Polarz and S Rabe (2004), First preparation of nanocrystalline zinc silicate by chemical vapor synthesis using an organometallic single-source precursor 10 Cao, Guozhong (2004), Nano structures and nanomaterials Synthesis, Properties, and Applications, Imperial College Press 11 D Y Kong, M Yu, C.K Lin, X M Liu, J Lin and J Fang (2005), “Sol – gel synthesis and characterization of Zn2SiO4:Mn@SiO2 spherical core – shell particles”, Journal of The Electrochemical Society, Vol.152 (9), pp.146-151 12 Fuhai Su, Baoshan Ma and Kun Ding (2004), Luminescence temperature and pressure studies of Zn2SiO4 phosphors doped with Mn2+ and Eu3+ ions 13 Ha Kyun Jung, Bu Young Sung and Hee Dong Park (2004), Preparing green phosphor based on zinc orthosilicate, Patent number: US6716369 14 Hideki Hoshino and Satoshi Ito (2004), Zinc silicate system phosphor, method for producing the same, zinc silicate system phosphor paste, and display device, Patent number: US 0075386 15 Kai Su, T Tilley, Michael J Sailor (1996), Molecular and Polymeric precursor routes to manganese – doped zinc orthosilicate phosphors, Journal of The American chemistry society, Vol.118 (14), pp.3459-3468 16 Karl A Franz (1996), Luminescent materials from Ullmann’s Encyclopedia of Industryal Chemistry, Vol.A15, pp.519-557 17 Klabunde, Kenneth J (2001), Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley Interscience 18 Koch, Carl C (2001), Nanostructured Materials, Processing, Synthesis, Properties, and Applications, Noyes publication 19 Leng, Yang (2008), Materials Characterization- Introduction to Microscopic and Spectroscopic Methods Copyright © John Wiley & Sons Singapore 20 Lesley E Smart, Elaine A Moore (2005), Solid State Chemistry, Taylor & Francis 21 M C Parmar, W D Zhuang, K V R Murthy, X W Huang, Y S Hu, V Natarajan (2009), Role of SiO2 in Zn2SiO4:Mn2+ phosphor used in optoelectronic materials, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, Vol 16 22 Nikolai I Maliavski, Oleg V Dushkin, Giovanni Scarinci (2001), Low – temperature synthesis of some orthosilicates 23 Nonninger Ralph (2002), Production of nano-scale zinc silicate doped with manganese used as a luminescent pigment, comprises precursor formed by reacting an aqueous solution with a base, and hydrothermally crystallizing the precursor, Patent number: US8721926 24 N Taghavinia, G Lerondel, H Makino, A Parisini, A Yamamoto, T Yao, Y Kawazoe, and T Goto (2002), Structural and Optical Properties of Oxidized Porous Silicon Layers Activated by Zn2SiO4: Mn2+, Journal of The Electrochemical Society, 149, pp 171-175 25 S Zh Karazhanov, P Ravindran, P Vajeeston, A Ulyashin, H Fjellvag, and B G Sensson (2006) Electronic structure and optical properties of ZnSiO3 and Zn2SiO4 26 Xue Yu, Yuhua Wang (2009), Synthesis and VUV spectral properties of nanoscaled Zn2SiO4:Mn2+ green phosphor, Journal of Physics and Chemistry of Solids,70, pp.11461149