Nghiên cứu tổng hợp vật liệu spinel phát quang pha tạp eu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HOÀNG KIM HUY NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU SPINEL PHÁT QUANG PHA TẠP Eu Chuyên ngành: Hóa vơ Mã số : 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC (THEO ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU) NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS VÕ VĂN TÂN Thừa Thiên Huế, năm 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu ghi luận văn trung thực, đƣợc đồng tác giả cho phép sử dụng chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả Hoàng Kim Huy ii LỜI CẢM ƠN Trƣờng Đại học Sƣ phạm – Đại học Huế Lời xin đƣợc gửi tới Thầy giáo PGS TS Võ Văn Tân lời biết ơn chân thành sâu sắc Thầy ngƣời trực tiếp giao đề tài tận tình bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Hóa học, trƣờng Đại học Sƣ phạm Huế, anh chị bạn giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực đề tài xin chân thành cảm ơn quý thầy anh chị cao học K23 chuyên ngành Hóa vơ cơ, trƣờng Đại học Sƣ phạm Huế tạo điều kiện để học tập, nghiên cứu hồn thành tốt luận văn Cuối tơi xin đƣợc cảm ơn ngƣời thân yêu gia đinh, ln động viên, cổ vũ để tơi hồn thành tốt luận văn Thừa Thiên Huế, tháng năm 2016 Học viên Hoàng Kim Huy iii iii MỤC LỤC Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG A MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài II Đối tƣợng mục đích nghiên cứu III Nội dung nghiên cứu IV Phƣơng pháp nghiên cứu B NỘI DUNG CHƢƠNG : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Nguyên tố đất ứng dụng số lĩnh vực 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Vị trí cấu tạo trạng thái tự nhiên 1.1.3 Từ tính màu sắc ion nguyên tố đất 11 1.1.4 Tính chất hóa học ứng dụng số nguyên tố đất 13 1.1.5 Europi 14 1.2 Hiện tƣợng phát quang 16 1.2.1 Khái niệm phân loại tƣợng phát quang 16 1.2.2 Hiện tƣợng lân quang huỳnh quang 17 1.2.3 Vật liệu phát quang 19 1.2.4 Cơ chế kích thích phát quang vật liệu phát quang 21 1.2.5 Cơ sở lý thuyết vùng lƣợng để giải thích cho phát quang vật liệu phát quang 23 1.2.6 Các chuyển dời xạ vật liệu phát quang 24 1.2.7 Tái hợp xạ nội tâm 25 1.2.8 Đặc trƣng quang phổ tâm phát quang loại ion nguyên tố đất 26 1.2.9 Chuyển dời quang học Europi 31 1.3 Tổng quan vật liệu .35 1.4 Tổng hợp spinel phƣơng pháp Sol-Gel 37 1.4.1 Nguyên lý chung 37 1.4.2 Diễn biến q trình Sol-Gel 39 1.4.3 Ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp Sol-Gel 40 CHƢƠNG II : THỰC NGHIỆM 41 2.1 Hóa chất – Dụng cụ thí nghiệm 41 2.1.1 Hóa chất 41 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 41 2.1.3 Điều chế dung dịch Eu3+ La3+ phƣơng pháp chuẩn độ xác định nồng độ Eu3+ 41 2.2 Cách tiến hành chế tạo vật liệu phát quang 42 2.3 Các phƣơng pháp kiểm tra, đánh giá mẫu 44 2.3.1 Phổ phát quang 44 2.3.2 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 44 CHƢƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .45 3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ đến hình thành pha 45 3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ mol Eu3+ đến cƣờng độ phát quang 47 3.2.1 Vật liệu BaLa2O4 47 3.2.1 Vật liệu CaLa2O4 50 3.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ nung đến khả phát quang vật liệu 52 3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng lƣợng chất ổn định đến khả phát quang vật liệu 55 3.5 Giải thích chế phát quang 57 C KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 58 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT au: đơn vị tƣơng đối M: Kim loại kiềm thổ Ba, Ca PA: Pure for analysis RE: Đất (Rare earth) XRD: Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ mơ tả q trình huỳnh quang 18 Hình 1.2: Sơ đồ mơ tả q trình lân quang 19 Hình 1.3: Sơ đồ phân loại tượng phát quang theo thời gian phát quang 19 Hình 1.4 : Cơ chế phát quang kích thích trực tiếp 22 Hình 1.5 : Cơ chế phát quang kích thích gián tiếp 22 Hình 1.6 : Sơ đồ vùng lượng điện môi bán dẫn 23 Hình 1.7: Các chuyển dời tái hợp xảy vật liệu phát quang 24 Hình 1.8 : Giản đồ mức lượng ion RE3+- Giản đồ Dieke 29 Hình 1.9 : Các bước chuyển dời cho phép ion Eu3+ 33 Hình 1.10 : Giản đồ lượng Eu3+ 34 Hình 1.11 : a - cấu hình bát diện b - cấu hình tứ diện 35 Hình 1.12: Cấu trúc mạng spinel thuận 36 Hình 2.1: Sơ đồ trình chế tạo vật liệu phát quang ZnAl2O4:Eu 45 Hình 3.1 : Phổ XRD BaLa2O4 : Eu3+ 4% , nung 700OC, 800OC, 900OC 1000OC 46 Hình 3.2 : Phổ XRD CaLa2O4 : Eu3+ 4% , nung 700OC, 800OC, 900OC 1000OC 47 Hình 3.3 : Phổ phát quang BaLa2O4 : Eu3+ tỷ lệ mol 1%, 2%, 4% 8% nung 800OC 48 Hình 3.4 : Phổ phát quang BaLa2O4 : Eu3+ tỷ lệ mol 1%, 2%, 4% 8% nung 900OC 49 Hình 3.5 : Phổ phát quang BaLa2O4 : Eu3+ tỷ lệ mol 1%, 2%, 4% 8% nung 1000OC 49 Hình 3.6 : Phổ phát quang CaLa2O4 : Eu3+ tỷ lệ mol 1%, 2%, 4% 8% nung 800OC 50 Hình 3.7 : Phổ phát quang CaLa2O4 : Eu3+ tỷ lệ mol 1%, 2%, 4% 8% nung 900OC 51 Hình 3.8 : Phổ phát quang CaLa2O4 : Eu3+ tỷ lệ mol 1%, 2%, 4% 8% nung 1000OC 51 Hình 3.9 : Phổ phát quang BaLa2O4 : Eu3+ 4% nhiệt độ nung 700OC, 800OC, 900OC 1000OC 52 Hình 3.10 : Phổ phát quang CaLa2O4 : Eu3+ 4% nhiệt độ nung 700OC, 800OC, 900OC 1000OC 54 Hình 3.11 : Phổ phát quang BaLa2O4:Eu3+4% với khối lượng chất ổn định thay đổi 56 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 : Các nguyên tố đất đặc tính Bảng 1.2 : Phân nhóm nguyên tố đất 10 Bảng 1.3 Màu sắc ion Ln3+ dung dịch nước momen từ ion Ln3+ 12 Bảng 1.4 : Lĩnh vực sử dụng nguyên tố đất hỗn hợp 13 Bảng 1.5 : Cấu hình điện tử trạng thái ion đất hoá trị 27 Bảng 3.1: Điều kiện khảo sát nhiệt độ nung vật liệu BaLa2O4:Eu3+ 45 Bảng 3.2: Điều kiện khảo sát nhiệt độ nung vật liệu CaLa2O4:Eu3+ 46 Bảng 3.3: Cường độ xạ đặc trưng BaLa2O4:Eu3+thay đổi theo tỷ lệ Eu3+ pha tạp 53 Bảng 3.4 : Cường độ xạ đặc trưng CaLa2O4:Eu3+thay đổi theo tỷ lệ Eu3+ pha tạp 55 Bảng 3.5 : Điều kiện khảo sát khối lượng chất ổn định 56 A MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày phát triển, vật liệu ngày đƣợc quan tâm nhiều hơn, số vật liệu phát quang, việc nghiện cứu tạo vật liệu phát quang ngày có nhiều ứng dụng mang tính kế thừa phát triển Hiện nay, vật liệu phát quang có nhiều ứng dụng khoa học, kỹ thuật đời sống nên việc nghiên cứu để tìm chất phát quang thu hút đƣợc nhiều ý nhà khoa học nƣớc Đối với vật liệu phát quang biết, vật liệu có tính chất, đặc trƣng riêng biệt quang phổ, thời gian phát quang… [12], [15] Vì chúng đƣợc ứng dụng nhiều vào lĩnh vực tƣơng ứng nhƣ : Hóa phân tích, quang phổ, kỹ thuật chiếu sáng, kỹ thuật hiển thị, sợi quang, đo liều xạ ion hóa, hóa sinh y học …[23], [24] Cơ bản, chất phát quang thƣờng bao gồm hai phần: chất chất kích hoạt Chất kích hoạt thƣờng kim loại chuyển tiếp đất hiếm, europi số [8] Trong số chất chất có cấu trúc spinel thƣờng đƣợc sử dụng phát quang vùng khả kiến, thời gian dài, cƣờng độ nhƣ độ ổn định cao dễ dàng tổng hợp, đó, dạng chất lantanat chƣa đƣợc nghiên cứu sâu rộng Việc thay đổi chất dẫn đến thay đổi quang phổ nhƣ khả phát quang vật liệu [6], [8] Dựa sở đó, tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu lân quang Lantannat kiềm thổ MLa2O4 (M: Ba, Ca) pha tạp Eu3+ Trong trình chế tạo vật liệu, ion Eu3+ thay vị trí ion La3+ gây nên khuyết tật mạng đóng vai trị nhƣ tâm phát quang Việc nghiên cứu cấu trúc vật liệu, ảnh hƣởng thành phần tạo pha, tỷ lệ đất pha tạp nhƣ điều kiện tối ƣu cho hình thành pha nhằm nâng cao cƣờng độ phát quang đóng vai trò lớn lý thuyết ứng dụng thực tiễn Với lý trên, chọn đề tài luận văn là: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Spinel phát quang pha tạp Eu” II Đối tƣợng mục đích nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu - Vật liệu phát quang pha tạp Eu Mục đích nghiên cứu - Chế tạo vật liệu phát quang pha tạp Eu phƣơng pháp Sol-Gel III Nội dung nghiên cứu - Tổng quan lý thuyết - Nghiên cứu vật liệu để chế tạo vật liệu phát quang pha tạp Eu - Nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ mol Eu pha tạp - Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ nung vật liệu phát quang - Nghiên cứu ảnh hƣởng khối lƣợng chất ổn định đến khả phát quang vật liệu IV.Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp tổng hợp spinen vật liệu phát quang - Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) xác định mức độ tạo pha ion đất với chất - Phƣơng pháp đo phổ phát quang đo độ phát quang vật liệu - Phƣơng pháp chuẩn độ complexon xác định hàm lƣợng chất nguyên liệu ban đầu PL9: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 700oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL10: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 1% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P5 PL11: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 2% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL12: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P6 PL13: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 8% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL14: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 1% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P7 PL15: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 2% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL16: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P8 PL17: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 8% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL18: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 1% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P9 PL19: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 2% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL20: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P10 PL21: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 8% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL22: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 700oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P11 PL23: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 1% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL24: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 2% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P12 PL25: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL26: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 8% Eu3+ nung 800oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P13 PL27: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 1% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL28: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 2% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P14 PL29: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL30: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 8% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P15 PL31: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 1% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL32: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 2% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P16 PL33: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL34: Phổ phát quang CaLa2O4 pha tạp 8% Eu3+ nung 1000oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P17 PL35: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric ion kim loại PL36: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P18 PL37: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại PL38: Phổ phát quang BaLa2O4 pha tạp 4% Eu3+ nung 900oC, tỷ lệ axit xitric gấp lần ion kim loại P19 ... hợp vật liệu Spinel phát quang pha tạp Eu? ?? II Đối tƣợng mục đích nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu - Vật liệu phát quang pha tạp Eu Mục đích nghiên cứu - Chế tạo vật liệu phát quang pha tạp Eu phƣơng... dung nghiên cứu - Tổng quan lý thuyết - Nghiên cứu vật liệu để chế tạo vật liệu phát quang pha tạp Eu - Nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ mol Eu pha tạp - Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ nung vật liệu phát. .. thu đƣợc vật liệu phát quang CaLa2O4 BaLa2O4 pha tạp Eu( III) Quá trình tổng hợp vật liệu spinel phát quang pha tạp Eu đƣợc trình bày theo sơ đồ hình 2.1 42 Dd La(NO3)3 Dd Ba(NO3)2 Dd Eu( NO3)3