荧光碳点和介孔Al2O3: Eu 3 共掺杂温度传感材料的发光特性和能量传递外文翻译资料

 2022-01-16 20:09:15

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

荧光碳点和介孔Al2O3: Eu 3 共掺杂温度传感材料的发光特性和能量传递

Youling He, Jiangling He, Haoran Zhang, Yingliang Liu , Bingfu Lei
华南农业大学材料与能源学院广东省光农业工程技术研究中心，广东广州510642

摘要：利用氢能带相互作用，利用水热处理合成的蓝光发光碳点（CDs）成功地制备出Eu3 掺杂介孔氧化铝（MAs）。有趣的是，双发射CDs/MAs共掺杂材料具有了较高的量子产率(QY)、长期稳定性、介孔结构、热稳定性高、表面积大等优点。此外，由于CDs和Eu3 离子之间存在能量转移，制备的CDS/MAs共掺杂材料具有可调谐的颜色和良好的温度灵敏度。CDs/Eu3 共掺杂材料的能量转移效率（eta;）和能量转移概率（P）随Eu3 含量的变化呈单调的趋势。更重要的是，双发射色可以通过调节其激发波长或相对质量比来有规律地调整。此外，随着温度的升高，CDs/MAs共掺杂材料的发射强度逐渐降低，表现出明显的温度依赖性，这种双发射温度计具有很高的灵敏度，在单波长激发下，在100到360K的范围内具有很好的拟合曲线。

图形摘要：

关键词：发光碳点，介孔氧化铝，温度传感

  1. 引言

氧化铝是一种众所周知的工业催化剂，具有良好的热稳定性和丰富的路易斯酸位点。与传统的介孔固体材料相比，介孔氧化铝具有相对较大的表面积、较高的热稳定性和在一个宽范围内较窄的孔隙分布 [1]。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义，孔径在2nm-50nm之间的介孔材料被归类为多孔材料[2]。到目前为止，许多研究工作都集中在介孔材料方面，Schlenker的工作是在1992年首次合成了有序介孔二氧化硅材 料[3]。不久之后，介孔氧化铝在这一研究领域得到了广泛的关注。Yang等人[4]报道了以嵌段共聚物为模板的介孔氧化铝。值得一提的是，Yang的团队提出了一种易于获得、高通量、可重复使用的溶胶凝胶方法，成功地合成了高度有序的介孔氧化铝[5]。因此，由于其优越的性能，介孔氧化铝具有许多广阔的应用前景，如温度传感器和催化剂的支持。

温度是影响化学和生物系统过程的基本生理特性[6-7]。然而，传统的温度传感器一般都是以侵入式探头为基础进行热流测试，其最优的灵敏度和准确度不能同时检测到狭小空间的温度。由于荧光温度测量在传感器技术、彩色显示、微流控和活体成像等领域具有广泛的应用前景，因此，人们对荧光温度测量进行了大量的研究[8-10]。然而，在较宽温度范围内合成简单、灵敏度高的荧光温度传感方法仍然是一个挑战[11-13]。发光材料是指半导体纳米晶体、碳点（CDs）、有机荧光染料和稀土离子[14-15]。特别是，发光CDs在荧光碳材料中占有独特的地位，由于其稳定性、无毒性和环保性等优点受到了广泛的关注，如WLED产量和温度传感[16-19]。因此，稀土离子或CDs掺杂的MAs可以被认为是潜在的光学材料。CDs在聚集状态下具有显著的自熄性，这阻碍了其应用[20-21]。值得注意的是，目前对CDs/Re离子共掺杂材料的研究较少，因此寻找理想的共掺杂材料是十分必要的。

在这项工作中，我们首先通过溶胶-凝胶法合成了制备三重离子化铕（MAs）的高度有序介孔氧化铝。MAs具有较高的热稳定性、较大的表面积和变孔尺寸。同时，采用一锅水热法合成了水溶性氮掺杂CDs。有趣的是，基于氢键的相互作用，通过一个简单的搅拌过程，CDs可以成功地组装成MAs。在光学性能和应用中，共掺杂材料通过调节激发波长或相对质量比，显示出可调谐的颜色，在单一波长激发下，在100到360 K范围内具有高灵敏度的温度传感。此外，还系统地揭示和讨论了CDs与Eu3 离子之间的能量转移机理。这项工作为温度传感材料开辟了新的途径。

2 实验方法

2.1 材料和试剂

这项工作中使用了去离子水。四氢呋喃（THF）、乙二胺（EDA）、二乙烯三胺（DETA）、丙酮和二甲基甲酰胺（DMF）购自广东光华科技有限公司，这些有机溶剂是分析溶剂。聚乙烯醇（PVA）的聚合度为1750plusmn;50（分子量：77000plusmn;2200）。 pluronic P123（EO20PO70EO20，平均分子质量=5800）购自Macklin有限公司，异丙醇铝（99.99%）和Eu2O3（99.99%）购自广州泰威有限公司，冰乙酸（CH3COOH）、无水柠檬酸（99.5%，AR）、盐酸（HCl）、硝酸（HNO3）、乙醇（99.7%）购自广州龙科有限公司。

2.2 介孔Al2O3:Eu3 的制备（MAS）

根据报道的方法[5]，将2.0 g Pluronic P123、1.0 g无水柠檬酸在30 ml乙醇中剧烈搅拌溶解，得到透明液体。然后，添加2.0 ml 37（wt.）盐酸和3.0 ml冰醋酸。然后，将20毫摩尔的氧化铝溶解到混合物中在室温下剧烈搅拌12小时。同时，逐渐滴下0.50毫升的0.50mol˙ Eu(NO3)3 搅拌5-10小时，然后将制备的样品转移到40°C的水浴中再搅拌5个小时。获得的白色溶胶置于60°C的大气中进行溶剂蒸发。48小时后，收集白色固态粉末。通过将温度从室温缓慢升高到500°C（1°C˙minminus;1的升温速率），然后在500°C下在空气中加热5 h来进行煅烧过程。之后，在空气中进行800°C的高温处理2 小时，温度梯度为10 °C˙minminus;1。

2.3 CDs/MAs共掺杂材料的合成

碳点（CDS）是根据最近的一项研究[22]制备的。方案1揭示了CDs/MAs共掺杂材料的制备过程。在一个典型的过程中，1.0g的MAs与不同数量的CDs混合，CDs/MAs的质量比调节为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%。简单搅拌8小时后，将共掺杂材料离心15分钟（5000 rpm ˙minminus;1）。用布氏漏斗过滤所得沉淀，并在烤箱中于333K下干燥。

方案1 CDS/MAS复合材料的制备工艺。

2.4 测试

利用小角粉末X射线衍射（SAXRD，Rigaku）和铜Kalpha;辐射（lambda;=1.5418Aring;）对材料的晶体结构进行了研究。在0.02°的扫描步骤和0.2°min-1的扫描速率下，在0.6°到4°的2theta;范围内收集数据。采用透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（TECNAI12，荷兰）对样品进行了形貌分析，制备过程中，将少量样品分散在去离子水中。用紫外可见分光荧光计（UV-2550，Shimadzu）记录紫外可见吸收光谱。用一个内表面涂有苯氟醚的积分球进行了绝对光致发光（PL）量子产额（QYS）分析。利用微实验ASAP 2020HD88系统分析了氮的物理吸附等温线。在装有积分球的Nicolet Avatar 360傅立叶变换红外分光光度计上，以KBr为基准，采用了红外光谱法。利用离散傅立叶变换（DFT）计算了孔隙尺寸分布。

采用日立F-7000荧光分光光度计，配以单色仪（分辨率：0.2nm）和150W氙灯作为激发源，获得了光致发光（PL）光谱。利用加热装置（牛津仪器）与日立F-7000组合，进行了温度依赖型光致发光发射光谱分析。具体地，通过加热装置提供紫外温度气氛，然后用日立F-7000测量了相应的光致发光发射光谱。采用Kratos AXIS ULTRA DLD对x射线光电子能谱(XPS)进行了监测。在FLS980荧光分光光度计上测试了荧光衰减曲线。

3 结果和讨论

3.1 TEM、HRTEM、FT-IR光谱、XPS光谱

如图1中的透射电子显微镜（TEM）和高分辨率TEM（HRTEM）所示，已经清楚地观察到MAs、CDs和CDs/MAs共掺杂材料的微观形貌结构。详细地，图1（a）和（b）显示了虫洞介孔结构和均匀有序的孔，孔径大小在10-12nm之间，具有虫状孔形态[23]。CDS分散在去离子水中，具有均匀的球形颗粒，平均粒径约为5nm，如图1（c）所示。在图1（d）中，CDs/MAs荧光粉的透射电镜图像显示了几个孔径在4-5nm范围内的类CD点。为了进一步验证，更仔细的观察[图1（d）中的插图]显示了高结晶度，晶格边缘距离约为0.22nm，与石墨碳（24）的（100）面相对应。MAS的X射线光电子能谱（XPS）进一步证实，在图1（e）中已经成功制备了MAs。在MAs中，通过Eu3d3/2、Eu3d5/2和Eu4d信号对铕进行监测，分别由1180 eV、1170 eV和120 eV的三个峰值组成[25]。

根据CDs、MAs和CDs/MAs荧光粉的傅立叶变换红外光谱（FTIR），图1（f）揭示了在3300–3400 cm-1和1000–1200 cm-1[22]处，由于强吸收带和宽吸收带存在大量的-OH和-NH2。通过对表征数据的总结和分析，合成了具有氢能带的CDs/MAs荧光粉。

图1 （a）和（b）MAS的TEM图像。（c）水溶液中硫化镉涂层的透射电镜图像。（d）CDs/MAs的透射电镜图像和碳点的透射电镜图像（插图）。（e）MAS的XPS光谱。（f）MAs、CDs/MAs和CDs的红外光谱。

3.2 X射线衍射图样

MAs和CDs/MAs共掺杂材料的广角X射线衍射（XRD）图显示，只有一个弱非晶衍射峰在大约20°处，如图2（a）所示，归因于有序的介观结构[26]。图2（b）显示了小角度X射线MAS和CDS/MAS的衍射（XRD）图。我们在0.5°C左右观察到一个明显的衍射峰，呈现出有序的介观结构[27]。因此，可以从广角和小角（XRD）两个方面得出介孔氧化铝的结论。

图2 合成MAs和质量比分别为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%的CDs/MAs的（a）广角和（b）小角XRD图谱。

3.3 孔隙结构性质

从图3（a）可以观察到MAS和CDS/MAS的窄孔径分布曲线。窄孔径分布保持在10-15nm的范围内[28]。表S1总结了不同质量比（0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%）的MAS和CDs/MAs共掺杂材料的BET表面积、孔径和孔体积。获得的纯MAs具有271.84 m2 g-1的大BET表面积、0.71 cm3 g-1的宽孔体积和14.94 nm的窄孔尺寸。随着硫化镉用量的增加，BET比表面积、孔径和孔体积都明显减小，与此同时，CDs可以被加入到MAs中。MAS和CDs/MAs的氮吸附-解吸等温线表示为图3（b）所示，图3（b）中带有h1形磁滞回线的IV型曲线，表示它们的介观结构和均匀的圆柱形孔隙[29]。

图3（a）MAS和CDS/MAS的孔径分布曲线和（b）氮吸收-解吸等温线（分别为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%）。

3.4 发光性能分析lt;

全文共16238字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1208]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

发小红书推广免费获取该资料资格。点击链接进入获取推广文案即可： Ai一键组稿 | 降AI率 | 降重复率 | 论文一键排版

您可能感兴趣的文章