CaTiO3Pr3+材料设计实验报告.docx

材料设计与制备综合实验学院：材料与化学化工学院专业：材料科学与工程班级：2011020402姓名：肖忠洋学号：201102040210指导老师:邱克辉、张文涛燃烧法合成红色长余辉发光材料CaTiO3：Pr3+实验目的了解红色长余辉发光材料的基本性能；掌握燃烧法的实验原理；掌握燃烧法合成CaTiO3：Pr3+粉体的制备流程；掌握一些基本的材料测试方法。实验原理燃烧法是指通过前驱物的燃烧合成材料的一种方法。当反应物达到放热反应的点火温度时，以某种方法点燃，随后的反应即由放出的热量维持，燃烧产物就是拟制备的材料。其基本原理是将反应物原料制成相应的硝酸盐，加入作为燃料的柠檬酸（还原剂），在一定的温度下加热一定时间，经剧烈的氧化还原反应，溢出大量的气体，进而燃烧得到泡沫状材料，该泡沫物质不团结，易粉碎。用燃烧法合成发光材料具有相当的适用性，燃烧过程产生的气体还可以充当还原保护气氛，并且可有效降低炉温，是一种很有意义的高效节能合成方法。实验药品及仪器药品：三氧化二镨（Pr2O3），硝酸钙（Ca（NO3）2?4H2O），柠檬酸（C6H8O7?H2O），钛酸丁酯（Ti（OC4H9）4），乙二醇（C6H8O2），浓HNO3，去离子水。仪器：电子天平，量筒，烧杯，移液管，磁力搅拌器，恒温干燥箱，刚玉坩埚，马弗炉，X射线粉晶衍射仪（XRD），荧光光谱仪（FL）。实验内容表1配比硝酸钙/g氧化镨/g柠檬酸/g钛酸丁酯/ml乙二醇/ml一2.36150.0013（0.08%）5.88393.46.2二2.36150.0016（0.10%）5.88393.46.2三.2.36150.0025（0.15%）5.88393.46.2四2.36150.0033（0.20%）5.88393.46.2实验流程图1实验步骤按表1配比称取相应的Ca（NO3）2?4H2O 、Pr2O3和柠檬酸；用量筒两取一定量的Ti（OC4H9）4溶液缓慢滴加到适量的乙二醇溶液中，并置于磁力搅拌器上80℃加热搅拌，将柠檬酸加入到搅拌中的Ti-乙二醇溶液中，待柠檬酸完全溶解，此时得到浅黄色溶液A；将Pr2O3溶解于浓HNO3中（加热溶解），得到Pr（NO3）3溶液；控制加水量（4ml），将是事先称量好的Ca（NO3）2?4H2O溶于水，得到Ca（NO3）2溶液；将上述硝酸盐溶液加入到溶液A中，在80℃下继续搅拌1h，得到黄色溶液溶胶；取少量上述溶胶放入刚玉坩埚中，置于马弗炉中，于900℃恒温焙烧得白色粉末。采用XRD、FL等测试方法对样品进行测试分析。测试与分析XRD分析图2为Pr3+浓度分别为0.08%、0.1%、0.15%、0.2%的四个样品燃烧法合成得到的CaTiO3:Pr3+粉末在900℃锻烧温度下锻烧1h后的XRD图。图2.Pr3+浓度不同的CaTiO3:Pr3+的XRD图从图中可以看出，不同氧化镨含量的样品衍射图谱十分相像，合成的都为CaTiO3(JCPDS?No.22－0153)，属于正交晶系。在四个样品中均未发现Pr3+化合物的物相，说明少量的Pr3+掺杂没有影响样品的相组成。当氧化镨的含量小于0.15%时，随着氧化镨含量的增加，其特征衍射峰的相对强度减弱，当含量为0.15%时，衍射峰强度最弱，而当氧化镨含量为0.08%时，样品的衍射强度非常接近于CaTiO3的JCPDS标准卡(22－0153)；但当含量大于0.15%时，衍射峰的强度反而有所增强。这说明，氧化镨的存在抑制CaTiO3的生成，在中间某一氧化镨含量抑制效果最强。这是因为提高氧化镨的含量，Pr3+离子的浓度越高，将具有更多的掺杂离子进入基质晶格，使得基质晶格产生畸变，从而影响基质的结晶性，同时也使基质产生残余应力，但进入基质的Pr3+离子在某一浓度使得基质中的畸变能最大，对基质结晶影响达到最大；超过该浓度后，畸变能减小，对基质的结晶影响减小。光谱分析CaTiO3:Pr3+是以Pr3+离子为发光中心的发光材料，所以Pr3+离子浓度对材料性能十分重要。本实验针对不同Pr3+浓度进行了实验，观察Pr3+掺杂浓度的变化对发光材料的影响。图3.氧Pr3+浓度不同的CaTiO3:Pr3+的激发和发射光谱从图3中可以看出，在不同的Pr3+掺量下，样品的发射光谱形状基本相同，发射峰值均为616nm，当稀土Pr3+掺量从0.08%增加到0.1%时，样品的发射光谱强度逐渐增强，当Pr3+掺量大于0.1%时，样品的发射光谱强度则逐渐减弱。当Pr3+的浓度在0.1%以下时，样品的发光亮度以及余辉时间都比较小，这是因为Pr3+离子的浓度越高，将具有更多的掺杂离子进入基质晶格，形成更多的发光中心，促进发光亮度的提高。在这过程中，Pr3+的辐射跃迁占据主导地位，所以发光强度随着Pr3+的浓度提高呈现急剧的增长趋势。而当Pr3+的浓度超过0.