材料設(shè)計與制備綜合實驗報告

實驗一 燃燒法合成紅色發(fā)光材料Li2CaSiO4:Eu3+一、實驗?zāi)康?、掌握燃燒法的實驗原理和材料的基本測試方法；2、掌握燃燒法合成Li2CaSiO4:Eu3+粉體的制備過程；3、研究Eu3+濃度變化對熒光粉發(fā)光性能的影響。二、實驗原理燃燒法是指通過前驅(qū)物的燃燒合成材料的一種方法。當反應(yīng)物達到放熱反應(yīng)的點火溫度時，以某種方法點燃，隨后的反應(yīng)即由放出的熱量維持，燃燒產(chǎn)物就是擬制備的目標產(chǎn)物。其基本原理是將反應(yīng)原料制成相應(yīng)的硝酸鹽，加入作為燃料的尿素（還原劑），在一定的溫度下加熱一定時間，經(jīng)劇烈的氧化還原反應(yīng)，溢出大量的氣體，進而燃燒得到產(chǎn)物。nSi(O2C2H5)4+nH2O= nSi(OH) 4+4nC2H5OH6LiNO3+3Ca(NO3)2+ 3Si(OH) 4+ 12CO(NH2)2 =3Li2CaSiO4+12CO2+4NH3+24H2O+16N2用燃燒法合成發(fā)光材料具有相當?shù)倪m用性，燃燒過程產(chǎn)生的氣體還可充當還原保護氣氛，并具備不需要復(fù)雜的外部加熱設(shè)備，工藝過程簡便，反應(yīng)迅速，產(chǎn)品純度高，發(fā)光亮度不易受損，節(jié)省能源等優(yōu)點，是一種很有意義的高效節(jié)能合成方法。三、實驗藥品及儀器藥品：三氧化二銪（Eu2O3），硝酸鈣（Ca(NO3)24H2O），尿素，正硅酸乙酯（Si(OC2H5)4），硝酸鋰（LiNO3），濃HNO3，去離子水。儀器：電子天平，量筒，燒杯，移液管，磁力攪拌器，恒溫干燥箱，剛玉坩堝，馬弗爐，X射線粉晶衍射儀（XRD），熒光光譜儀（FL）。四、實驗配比按Li2Ca1-xSiO4:xEu3+ (x=0.03，0.04，0.05，0.06)配比，以Eu3+濃度為變量設(shè)計實驗，實驗共計4組，各實驗藥品質(zhì)量/體積如下表所示：藥品名稱實驗編號質(zhì)量（g/ml）硝酸鋰1、2、3、41.379（g）正硅酸乙酯1、2、3、42.33（ml）尿素1、2、3、42.4（g）乙醇1、2、3、44（ml）硝酸1、2、3、42（滴）/ 1（ml）水1、2、3、42（ml）/ 5（ml）硝酸鈣12.2906（g）22.2670（g）32.2434（g）42.2198（g）氧化銪10.0528（g）20.0704（g）30.0880（g）40.1056（g）五、實驗步驟（1）用量筒量取一定量的正硅酸乙酯溶液緩慢滴加到適量的乙醇和水混合溶液中，并添加少量HNO3作為催化劑，置于磁力攪拌器上常溫攪拌0.5小時，得到正硅酸乙酯的水解溶液A。（2）按Li2Ca1-xSiO4:xEu3+ (x=0.05，0.07，0.9，0.11)化學計量比，精確稱取各原料。（3）將稱取的Eu2O3溶解于濃HNO3（需要用電爐加熱）得到溶液B，將事先稱好的Ca(NO3)24H2O、LiNO3溶于適量水，配成溶液C。（4）將B、C溶液加入到溶液A中，再加入稱量好的尿素，在75繼續(xù)加熱攪拌0.5小時左右，得無色凝膠。（6）將上述溶膠快速轉(zhuǎn)移到剛玉坩堝中，置于馬弗爐中，于700恒溫焙燒1小時后取出得白色粉末樣品。（7）采用XRD、FL等測試方法對樣品進行測試分析。六、實驗流程簡圖七、實驗現(xiàn)象觀察與記錄觀察記錄溶解、攪拌過程中的實驗現(xiàn)象，對得到的樣品性狀特征進行描述。在暗室中，通過紫外燈照射合成樣品，初步觀察樣品的發(fā)光亮度和發(fā)光顏色，對不同實驗條件下合成樣品的發(fā)光情況進行相互對比，來觀察不同的實驗條件對合成樣品發(fā)光情況的影響。八、測試與分析將合成樣品進行X射線衍射、熒光光譜等測試，進行合成物的物相組成、發(fā)光性能等分析，分析了解樣品的發(fā)光性能與合成工藝參數(shù)之間的關(guān)系。（一）不同實驗配比對樣品物相的影響燃燒法所得系列樣品Li2Ca1-xSiO4:xEu3+(x=0.03，0.04，0.05，0.06)的衍射圖譜如圖1所示。Li2Ca0.94SiO4:0.03Eu3+Li2Ca0.92SiO4:0.04Eu3+Li2Ca0.9SiO4:0.05Eu3+Li2Ca0.88SiO4:0.06Eu3+圖1 不同實驗配比的樣品XRD譜圖由圖可知，Li2Ca1-xSiO4:xEu3+的不同實驗配比（x=0.03，0.04，0.05，0.06)，對樣品的物相結(jié)構(gòu)沒有明顯的改變，由Jade軟件對x=0.03，0.04，0.05，0.06這4組不同配比樣品的XRD圖譜進行分析，結(jié)果顯示樣品的衍射數(shù)據(jù)與Li2CaSiO4的標準卡基本相同，且4組樣品的XRD峰位及其大小銳度也十分相似。說明不同實驗配比對燃燒法制得的樣品的物相結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。（二）Li2CaSiO4:Eu3+發(fā)光性能圖2為Li2CaSiO4:Eu3+的發(fā)光性能圖譜。由圖2，Li2CaSiO4:Eu3+在紫外光的激發(fā)下，其發(fā)光最強銳的峰線位于394nm，即樣品在波長為394nm光的激發(fā)下發(fā)出的光強度最強；在394nm紫外光的激發(fā)下，Li2CaSiO4:Eu3+的主發(fā)射峰位于620nm，發(fā)射的光為紅光波段，即樣品在紫外光的激發(fā)下發(fā)紅光。圖2 Li2CaSiO4:Eu3+的發(fā)光性能圖譜（三） Eu3+濃度對發(fā)光性能的影響Li2CaSiO4:Eu3+是以Eu3+離子為發(fā)光中心的發(fā)光材料，所以Eu3+離子濃度對材料性能十分重要。本實驗針對不同Eu3+濃度進行了實驗，觀察Eu3+摻雜濃度的變化對發(fā)光材料的影響。從圖3中可以看出，在不同的Eu3+摻量下，樣品的激發(fā)光譜形狀基本相同，發(fā)光最強銳的峰線位于394nm。說明不同的Eu3+摻量下，樣品均是在波長為394nm光的激發(fā)下發(fā)出的光強度最強。但在固定波長光的激發(fā)下，Eu3+摻量從x=0.3增加到x=0.6，發(fā)光強度最高在x=0.03。圖3 樣品的激發(fā)光譜這是因為Eu3+離子的摻量越高，將具有更多的摻雜離子進入基質(zhì)晶格，形成更多的發(fā)光中心，促進發(fā)光亮度的提高。在這過程中，Eu3+的輻射躍遷占據(jù)主導(dǎo)地位，所以發(fā)光強度隨著Eu3+的摻量提高呈現(xiàn)急劇的增長趨勢。而當Eu3+的摻量超過一定量時，Eu3+之間的距離足夠近，它們之間的相互作用增強，受到激發(fā)時躍遷的趨勢減小，使得交叉馳豫占據(jù)主導(dǎo)地位，所以當摻量大于一定量時，材料的發(fā)光亮度不但不會提高反而會降低，甚至不發(fā)光。九、注意事項1、準確稱量樣品；2、嚴格按照實驗流程操作；3、注意安全。 實驗二 燃燒法合成釩酸鹽發(fā)光粉體及性能測試一、實驗?zāi)康?、掌握燃燒法的實驗原理；2、掌握燃燒法合成釩酸鹽粉體的制備過程和方法；3、掌握燃燒法合成稀土摻雜釩酸鹽粉體的基本工藝參數(shù)；4、了解材料的測試表征方法。二、實驗原理燃燒法是指通過前驅(qū)物的燃燒合成材料的一種方法。燃燒過程的本質(zhì)是高放熱性化學反應(yīng)，反應(yīng)體系經(jīng)外部能量誘發(fā)局部化學反應(yīng)(點燃)，形成前沿燃燒波，燃燒波伴隨著劇烈的傳熱、傳質(zhì)等過程使化學反應(yīng)持續(xù)蔓延，直至整個反應(yīng)體系，最后達到合成所需材料目的。由于燃燒反應(yīng)過程異常劇烈，反應(yīng)物幾乎瞬間點燃達到高溫生成產(chǎn)物，加之熱空氣強烈對流使生成的細小產(chǎn)物顆?！帮w散開”并快速冷卻，因此燃燒法的合成產(chǎn)物一般非常蓬松，無需進行研磨便可獲得分散性良好、粒徑均勻的粉體材料。該法作為新材料制備的高新技術(shù)，具有節(jié)能、高效、合成產(chǎn)物質(zhì)量高、合成產(chǎn)品成本低、易于實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)等特點。其基本原理是將反應(yīng)原料制成相應(yīng)的硝酸鹽，加入作為燃料的檸檬酸（還原劑），在一定的溫度下加熱一定時間，經(jīng)劇烈的氧化還原反應(yīng)，溢出大量的氣體，進而燃燒得到泡沫狀材料，該泡沫狀物質(zhì)不結(jié)團，易粉碎。三、實驗藥品及儀器藥品：Ca(NO3)24H2O，LiNO3，Bi(NO3)35H2O，NH4VO3，NH4Cl，Eu2O3，檸檬酸，濃硝酸，蒸餾水。儀器：藥匙、燒杯、移液管、洗耳球、剛玉坩堝、電子天平、高溫馬弗爐、紫外燈、X射線衍射儀(XRD)、熒光光譜儀。四、原料配比配比一：硝酸鈣硝酸鋰硝酸鉍檸檬酸氯化銨氧化銪偏釩酸銨1.34610.41371.41162.52170.00160.04751.0528配比二：硝酸鈣硝酸鋰硝酸鉍檸檬酸氯化銨氧化銪偏釩酸銨1.27520.41371.41162.52170.00320.04751.0528配比三：硝酸鈣硝酸鋰硝酸鉍檸檬酸氯化銨氧化銪偏釩酸銨1.13350.41371.41162.52170.00480.04751.0528配比四：硝酸鈣硝酸鋰硝酸鉍檸檬酸氯化銨氧化銪偏釩酸銨0.99180.41371.41162.52170.00640.04751.0528五、實驗步驟（1）將稱量好的Eu2O3放入燒杯中，用移液管量取1.5ml濃硝酸加入其中，加熱除去多余的濃硝酸。按上述配比稱取Ca(NO3)24H2O，LiNO3，Bi(NO3)35H2O， NH4Cl，檸檬酸放入上述燒杯中加10ml蒸餾水溶解。然后緩慢加入稱量好的NH4VO3。（2）在75左右，磁力攪拌40min，溶液由橙黃色變?yōu)樯钏{色均勻的溶膠。（3）將該溶膠盛于剛玉坩堝中，放入預(yù)熱到680的馬弗爐中燃燒合成并保溫1h，出爐空冷得到最終產(chǎn)物。（4）在紫光燈下觀察樣品的發(fā)光情況。六、實驗流程圖七、實驗現(xiàn)象觀察與記錄觀察記錄溶解、攪拌過程中的實驗現(xiàn)象，對得到的樣品性狀特征進行描述。在暗室中，通過紫光燈照射合成樣品，初步觀察樣品的發(fā)光亮度和發(fā)光顏色，對不同實驗條件下合成樣品的發(fā)光情況進行相互對比，來觀察不同的實驗條件對合成樣品發(fā)光情況的影響。八、測試與分析將合成樣品進行X射線衍射、熒光光譜測試，分析測試數(shù)據(jù)，了解樣品的發(fā)光性能與合成工藝參數(shù)之間的關(guān)系。不同配比時，樣品的XRD圖