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稀土微孔晶体材料的合成、结构和性质研究

王曦  
【摘要】:无机微孔晶体材料具有规则的孔道结构和独特的性质,它们不仅广泛应用于化工产业的催化、吸附、分离等方面,而且在光、电、磁、化学传感、医药等领域也有重要的潜在应用。其中,稀土微孔晶体材料是一类将稀土独特的物理化学特性与微孔材料均匀的孔道特性相结合的材料,它们在催化、光学器件、快离子导体等方面有潜在的应用价值,近年来引起了人们的关注。在本论文中,我们以稀土硅酸盐,稀土锗酸盐和稀土亚磷酸盐等微孔晶体材料为主要研究对象,研究这类材料在温和条件下的合成、结构以及特殊性质。本文所得主要结果如下: 1.在中温水热条件下(230oC),合成出一系列稀土硅酸盐K_8Ln_3Si_(12)O_(32)NO_3·H_2O (LnSiO-CJ3; Ln=Eu, Tb, Gd, Sm)。通过X—射线粉末衍射得出该系列化合物是同构的化合物。EuSiO-CJ3的结构可以看做是由具有6-,8-,12-元环的[Si3O8]n4n-硅层和EuO6八面体相连接而成的三维开放骨架。K+和NO3-离子位于孔道中平衡电荷。它是一例含有KNO3无机盐的稀土硅酸盐,这在此类晶体材料中非常少见。LnSiO-CJ3化合物热稳定性良好,骨架可以稳定到800oC。LnSiO-CJ3(Ln=Eu, Tb)的发射光谱显示了Eu~(3+)和Tb~(3+)的特征发光。荧光动力学研究表明EuSiO-CJ3和TbSiO-CJ3发光中心的个数和晶体学数据结果一致。离子交换实验结果表明NO3-可以被卤素离子交换(F-, Cl-, Br-),离子交换后的EuSiO-CJ3仍然保持良好的发光性质。 2.在中温水热条件下(230oC),首次合成出两种新颖的的环硅酸盐:含有Ce4+的Na_8CeSi_6O_(18)(CeSiO-CJ11A)和Ce4+/Ti4+共掺的Na8Ce0.73Ti0.27Si_6O_(18)(CeTiSiO-CJ11B)。通过X—射线粉末衍射得出这两种化合物是同构的化合物。CeSiO-CJ11A的结构可以看做是由[Si_6O_(18)]n12n-环状硅酸盐阴离子通过CeO6八面体相互连接而成的三维结构,在[101]方向具有由SiO4四面体和CeO6八面体共同限制的6-元环。Na+离子位于空位平衡电荷。表面光电压和瞬态光电压研究表明CeTiSiO-CJ11B是n型半导体并且展示了缓慢的光生电荷的复合过程。 3.在中温水热条件下(200oC),在浓凝胶体系中合成出一系列稀土锗酸盐K3[TbxEu1-xGe3O8(OH)2](x=1,0.88,0.67,0; TbGeO-JU-87, Tb0.88Eu0.12GeO-JU-87,Tb0.67Eu0.33GeO-JU-87, EuGeO-JU-87)。通过X—射线粉末衍射得出这一系列的化合物是同构的化合物。LnGeO-JU-87是由LnO6和GeO4/GeO3H通过公用顶点氧原子相互连接而成的二维层状化合物。K+离子位于空位平衡电荷。荧光性质研究表明TbGeO-JU-87和EuGeO-JU-87分别展现出Tb~(3+)和Eu~(3+)的特征发光,而Tb0.88Eu0.12GeO-JU-87和Tb0.67Eu0.33GeO-JU-87存在效率较高的Tb~(3+)-Eu~(3+)能量传递。色坐标计算表明,通过调控晶体中Eu~(3+)的含量,可以实现调控晶体的发光颜色。 4.利用微波辅助合成法,合成出一系列不同Gd/Tb掺杂量的新颖稀土亚磷酸盐GdxTb2-x(HPO_3)_3(H_2O)2(0≤x≤2)。通过X—射线粉末衍射得出这一系列的化合物是同构的化合物。Gd2(HPO_3)_3(H_2O)2是由GdO7,GdO8组成的二聚体和HPO3假四面体通过共享O原子形成的三维骨架。 Gd2(HPO_3)_3(H_2O)2和Tb2(HPO_3)_3(H_2O)2的激发和发射光谱分别显示了Gd~(3+)和Tb~(3+)的特征跃迁。Gd/Tb掺杂的样品存在Gd~(3+)-Tb~(3+)的能量传递,它们的发光显示Tb~(3+)的绿光发射(5D4→7F3-6)。将发光中心Tb~(3+)引入到Gd2(HPO_3)_3(H_2O)2之后,这一系列化合物可以作为绿光发光材料。Gd2(HPO_3)_3(H_2O)2的磁性研究表明,该化合物存在极弱的反铁磁相互作用,在4~300K温度区间内遵循居里外斯定律。


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