基于稀土金属有机配合物转光材料的制备及荧光性能研究

摘要

随着社会的发展，人口数量越来越多，同时对能源和高效粮食生产产生巨大需求。太阳能是可用的最丰富的可再生能源，如何高效利用太阳能成为目前的研究重点。农作物通常只能利用小部分的太阳光谱，即叶绿素色素吸收的蓝色（400-500nm）和红色（600-700nm）光波，而其他波长的大部分光都被浪费。因此，需要开发一种材料来提高太阳光的利用效率。该材料可以吸收植物未利用的太阳光，并将其转化为蓝光或红光。目前，市场上存在一部分掺杂转光剂的功能性农膜，这种农膜通过转换太阳能中未利用的紫光、紫外光和黄绿光来提高作物对于光能的利用率，达到提高作物产量的目的。这样的转光剂主要有可以呈现出不同的色彩及吸光状况的无机类转光剂、与高分子膜具有良好的相容性的有机染料类转光剂和有机配合物类转光剂，以及具有良好单色性的MOF类转光剂。但是，这些转光剂在实际使用过程中会出现发光强度弱、与高分子膜的相容性差、使用过程中稳定性差等问题。因此，研究开发一种可以高效发光、与高分子材料相容性良好、稳定性良好同时价格低廉的复合型转光剂是当务之急。 本文通过研究有机配合物、无机荧光材料、MOF以及有机染料的优点和缺点，制备了几种可以发射红光的转光材料，并研究了部分条件对荧光强度的影响。详细内容如下： （1）多步反应制备含有羧基的5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉，以卟啉为有机配体链制备红光发射的配合物，并通过一锅法将罗丹明B掺入配合物中，增强了有机配合物的红色荧光发射强度。利用FT-IR、XRD、SEM、紫外吸收光谱和荧光光谱对材料进行结构及性能的研究。研究发现制备的掺杂的有机配体具有较好的红光发射性能，其发射峰位于676和725nm左右并在日光下保持较好的红光发射，同时由于罗丹明B的掺入其荧光强度增强1倍左右。 （2）利用球磨法制备双稀土金属配合物插层的类水滑石转光材料。通过FT-IR、XRD、SEM、TGA和荧光光谱等对转光材料进行表征。实验表征证明制备的双稀土金属配合物插层到类水滑石的层板间，使得类水滑石复合材料具备615和725nm左右的红色荧光发射性能。通过插层后有机配体与层板中金属离子的相互作用使荧光强度提高0.6倍左右。由于类水滑石的制备工艺成熟简便，为工业化规模生产转光剂提供了可能。 （3）通过对于氨基的修饰将两种配合物链接到一起制备荧光增强的多配体的复合型转光剂。通过FT-IR、SEM、XPS、XRD以及荧光光谱等手段对于复合型转光剂进行表征。实验结果表明对于氨基的修饰是成功的，并且由于不同配体的敏化作用，使稀土铕离子特征发射峰得到进一步增强从而增强最终复合型材料的荧光发射强度，避免荧光体之间光的竞争。 （4）利用水热法以铕离子为金属中心，对苯二甲酸和均苯三甲酸为有机配体链制备两种在615nm附近有红光发射的MOF材料通过各种表征证明金属与有机链进行配位反应。同时发现对于对苯二甲酸基的MOF其最优的水热合成温度和时间为110℃和48h，而对于均苯三甲酸基的MOF其最优合成温度和时间为120℃和48h。由于配体与金属铕之间的能量传递，制备的MOF材料表现铕的红光特征发射。 （5）通过高温固相合成的方法制备具有红光发射的硫化物纳米材料，并通过一锅法将硫化物掺杂入MOF中制备有机无机复合转光材料。通过FT-IR、XRD、SEM、荧光光谱和TGA等对制备的样品进行表征。实验结果表明硫化物和MOF材料都有较好的红色荧光发射，且通过硫化物与MOF材料之间的能量共振转移使复合材料的荧光强度提高0.5倍左右。硫化物的掺杂使复合材料的热性能有一定程度的增加。

目录

声明

符号说明

1引言

1.1植物光合作用

1.2转光剂

1.2.1转光剂定义及应用背景

1.2.2转光剂分类及转光原理

1.3类水滑石

1.3.1类水滑石简介

1.3.2类水滑石性质、制备及应用

1.4稀土元素

1.5金属有机框架

1.5.1金属有机框架简介

1.5.2荧光MOFs发光方式及应用

1.6本课题的提出及研究内容

2材料与方法

2.1实验材料

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器

2.2实验方法

2.2.1罗丹明B掺杂卟啉配合物转光材料制备

2.2.2配合物插层类水滑石转光材料制备

2.2.3稀土配合物接枝MOF转光材料制备

2.2.4基于对苯二甲酸及均苯三甲酸金属有机框架制备

2.2.5硫化物掺杂的金属有机框架制备

2.2.6聚乙烯醇薄膜制备

3结果与分析

3.1罗丹明B掺杂卟啉基配合物转光材料

3.1.1红外光谱表征

3.1.2 XRD谱图

3.1.3 SEM表征

3.1.4紫外吸收光谱分析

3.1.5荧光光谱

3.2配合物插层类水滑石转光材料

3.2.1 SEM表征

3.2.2 XRD谱图

3.2.3红外光谱表征

3.2.4荧光光谱

3.2.5热重分析

3.3稀土配合物接枝MOF转光材料制备

3.3.1红外光谱

3.3.2 XRD谱图

3.3.3 SEM图

3.3.4 XPS表征

3.3.5荧光光谱及在膜中应用效果

3.3.6热重分析

3.4基于对苯二甲酸及均苯三甲酸金属有机框架转光材料

3.4.1 红外光谱表征

3.4.2最佳合成条件

3.4.3电子显微镜表征

3.4.4荧光光谱

3.4.5热重分析

3.4.6荧光材料在膜中应用以及荧光性能

3.5硫化物掺杂金属有机框架转光材料

3.5.1 XRD谱图

3.5.2 红外光谱表征

3.5.3 SEM表征

3.5.4元素表征

3.5.5荧光光谱

3.5.6 CaSrS:Cu,Eu@Eu-MOF在膜中应用及荧光性能

3.5.7热重性能研究

4讨论

4.1罗丹明B掺杂卟啉基配合物转光材料

4.2配合物插层类水滑石转光材料

4.3稀土配合物接枝MOF转光材料

4.4基于对苯二甲酸及均苯三甲酸金属有机框架转光材料

4.5硫化物掺杂金属有机框架转光材料

5结论

5.1罗丹明B掺杂卟啉基配合物转光材料

5.2配合物插层类水滑石转光材料

5.3稀土配合物接枝MOF转光材料

5.4基于对苯二甲酸和均苯三甲酸金属有机框架转光材料

5.5硫化物掺杂金属有机框架转光材料

6创新之处

参考文献

致谢

9攻读学位期间发表论文情况