上转换/二氧化钛复合光催化剂的合成与性能的研究

摘要

以稀土元素为基质的镧系元素掺杂的上转换荧光材料，由于具有声子能量低、光热稳定性好、能够有效地提高从近红外到可见光的上转换效率、折射系数高等特点，在材料科学领域倍受关注，被广泛应用在固体激光器、光通信、显示设备等诸多领域。在这些上转换材料中，在稀土发光材料领域，金属氟化物在很多领域有重要的潜在应用。YF3作为一种非常重要的荧光基质材料，掺杂镧系元素后具有强的上转换或下转换荧光特性和高的量子效率。控制合成不同形貌的YF3纳米晶，并研究它们的荧光性能，将具有潜在的应用价值，以满足其在不同领域中的应用。
　　在本论文中，开发了一种新颖的可控合成不同YF3纳米晶的方法。利用乙二醇为溶剂，在敞开体系中，通过改变氟源和螯合剂，制备出了五种不同形貌的YF3纳米晶。对这些样品进行了详细的分析与表征，并讨论了它们的形成机理。通过掺杂不同的镧系元素，研究了这五种YF3纳米晶的上转换和下转换的荧光性能，研究结果表明，五种不同形貌的YF3纳米晶都可以作为掺杂发光的基质材料。也对五种不同形貌YF3纳米晶掺杂后的荧光性能（上转换和下转换），进行了细致的分析和比较。研究结果表明，纳米晶的荧光除了受颗粒尺寸影响外，颗粒的形貌和结构，对YF3纳米晶的荧光强度具有重要影响。
　　为了将制备的YF3纳米晶应用到光催化领域，详细研究了具有菱形层状结构的YF3纳米晶的制备和荧光性能。产物的结构分析表明，这些具有规则菱形结构的YF3纳米晶，是由小YF3纳米晶定向排列而构成的。通过对晶体的生长过程的进行观察，发现这种菱形结构是经过颗粒的聚集和剥裂两个过程而形成的。小的YF3纳米晶先聚集组装成大的层状结构，随着晶体的熟化，然后发生了层状的剥裂，从而得到具有层状菱形结构的纳米晶。对这种结构的YF3纳米晶进行各种稀土的掺杂后，获得了多种上转换或下转换的荧光发射峰，证实了它们是一种良好的荧光基质材料。在掺杂Yb/Tm的YF3纳米晶中，获得了很强的紫外发射峰，为其在光催化中的应用打下了基础。
　　通过常用的溶胶-凝胶方法，在YF3∶Yb，Tm纳米晶表面上成功包覆了一层TiO2。在这种核壳的上转换/TiO2复合颗粒中，上转换材料可以吸收近红外光，其发射的紫外光可以被壳层的TiO2吸收，产生电子空穴对，可以用作上转换光催化材料。由于菱形分层结构的YF3纳米晶具有孔隙结构，当在其表面包覆一层TiO2后，这种核壳结构的纳米颗粒因为其大的比表面，为它作为光催化材料提供了有利条件。在氙灯下，使用不同波段的光对材料的光催化性能进行了研究，发现材料在紫外光和近红外光的照射下（或两者共同作用下），都显示出具有良好的光催化性能。通过与传统光光触媒P25对比，所合成的核壳结构光催化材料，能够更充分地利用太阳光，具有更高的光催化效率。这种对于光催化材料的新的设计方式，大大拓宽了材料对太阳光的利用范围，有望提高人们对太阳能的利用效率。