科研成果在无机化学实验中的运用*

李　岚，郝洪庆

(嘉应学院化学与环境学院，广东　梅州　514015)



科研成果在无机化学实验中的运用*

李岚，郝洪庆

(嘉应学院化学与环境学院，广东梅州514015)

通过对一科研项目成果进行转化，设计出了一个无机化学实验：利用燃烧法制备氯硼酸锶铽荧光粉，学生通过控制炉温、尿素用量、硼酸用量、Tb3+浓度等条件制备颗粒细小、发光性能良好的荧光粉，实验综合性强，对于提高学生无机制备实验能力具有很好的教学效果。通过将科研成果运用到无机化学实验改革中，拓展无机化学实验内容，培养学生的科研意识和环保意识，是进一步深化无机化学实验改革的必然趋势和发展方向。

无机化学实验；改革；燃烧法；Sr2B5O9Cl: Tb3+

1　实验目的

无机化学实验是化学及相关专业大学生入学后的第一门实践性课程，它对学生的实验操作技能和综合素质的提高具有独到的地位和作用，为后续的实验课程的学习打下良好的基础，所以无机化学实验的地位尤显重要。为了提高无机化学实验的教学质量，我们尝试将教师的科研成果转化为无机化学实验，不断改进、拓展和创新无机化学实验内容，以期调动学生的实验能动性，提高学生对无机化学实验的学习兴趣、实验技能和对实验数据科学分析能力，培养学生的环保和科研意识。

发光二极管是一种新型固体照明光源，与传统的白炽灯和荧光灯相比，具有节能、使用寿命长、无污染、效率高和响应速度快等优点[1]，被誉为21世纪的绿色光源，在汽车行业、数码设备，LCD背光源、交通照明、个人通讯设备、景观照明[2-5]等领域具有广泛地应用。实现白光 LED 的主要途径有多量子阱型、多色组合型及荧光转换型 3 种方式，其中使用荧光粉与LED芯片组合实现白光的工艺相对简单，是当今新型固态照明的主流方案，所以研究LED用荧光粉引起人们极大的兴趣。其中氯硼酸锶荧光粉材料成为近几年发光材料领域的研究热点，因其能够强烈吸收200～410 nm范围的近紫外光，并具有较高的光转换效率，同时具有稳定的化学和热稳定性，能在较低的温度合成，有利于工业化生产。

氯硼酸锶铽荧光粉是一种绿色发光荧光粉，可以用于制作照明光源、发光油墨、发光涂料、发光塑料、发光印花浆和农用光转化膜。目前关于氯硼酸锶铽绿色荧光粉体的制备有高温固相法[6]，但是高温固相法反应时间长(4 h)，合成温度高(950 ℃)，所得产物为坚硬的块状固体，不适合应用于大学化学基础实验教学过程中。而燃烧法[7]克服高温固相法的缺点，反应温度低(900 ℃)，反应速度快(30 min)，受热体系均匀，可以得到颗粒细小、组成均匀的荧光粉，适合大学生在实验室中进行制备氯硼酸锶铽荧光粉。

2　实　验

2.1原理

尿素燃烧法是利用尿素为助燃剂，让金属硝酸盐溶液在加热的条件下，让大量水分蒸发后继续加热使其发生燃烧，燃烧时产生的气流猛烈冲击使反应液分散成小液滴，在高温下蒸发去剩余水分的同时，液滴中的非挥发成分团聚生长成晶粒[8]。在合成过程中，不同炉温、尿素的用量、硼酸的用量、Tb3+的用量都影响荧光粉的发光性能，所以在反应过程中需控制影响因素的用量。

尿素燃烧法制备Sr2B5O9Cl:Tb3+的化学反应方程式：

12SrCO3+6NH4Cl+30H3BO3+17CO(NH2)2→

6Sr2B5O9Cl +21N2+17CO2+91H2O

2.2试剂与仪器

试剂：碳酸钙(AR)，广州台山化工厂；硼酸(AR)，广州化学试剂厂；氯化铵(AR)，广东西陇化工厂；甘氨酸(AR)，中国新型化工试剂上海究所；七氧化四铽(99.95%)，广州化学试剂厂；硝酸(AR)，广东光华科技公司；活性碳(AR)，广州化学试剂厂；去离子水。

仪器：SX2-5-12马弗炉，上海实验电炉厂；CS101-2A电热鼓风干燥箱，重庆试验设备厂；ZF-I紫外分析仪，上海顾村电光仪器厂；LS55荧光分光光度计，Perkin Elmer；Ultima III X射线衍射仪，日本理学。

2.3实验步骤

2.3.1SrB5O9Cl:Tb3+的制备

用6 mol/L 硝酸10 mL将2.9435 g碳酸锶和0. 3739 g Tb4O7分别溶解成为硝酸盐水溶液；将17.6610 g 尿素(助燃烧剂)、3.0915 g硼酸、0.6954 g氯化铵用去离子水溶解(可适当加热)。

将上述溶液转移到石英坩埚中，使石英坩埚中液体量达1/3处，盖好盖子，然后把石英坩埚用活性炭埋于500 mL的刚玉坩埚里，移入加热到900℃的马弗炉中，在还原气氛中煅烧30 min。反应完成后，取出刚玉坩埚，冷却至室温，即得所需荧光粉样品，用紫外仪照射产品，观察到有绿色荧光。结构分析采用X射线衍射仪在40 kV和100 mA下进行扫描，辐射源为 Cu靶Ka射线，扫描速度为8°/min，步长为0.06°，扫描范围15～85°。发射光谱采用LS-55荧光分光光度计进行测定，波长扫描范围为200～650 nm。

2.3.2样品的结构表征

用X射线衍射仪扫描Sr2B5O9Cl: Tb3+的XRD图(见图1)，将所得的衍射峰数据与Sr2B5O9Cl的标准卡片(PDF#27-0835)对比可知，合成样品与卡片主相基本吻合，说明合成的产品为Sr2B5O9Cl，同时在图中未发现Tb3+化合物的物相，说明少量Tb3+的掺杂没有影响样品的相组成。

图1　Sr2B5O9Cl: Tb3+的XRD谱图Fig.1　XRD patterns of Sr2B5O9Cl: Tb3+

2.3.3荧光粉的荧光特性

Tb3+的f-d跃迁是在紫外光波长范围内的，并且允许跃迁；其次Tb3+的特征发射峰的波长约为543 nm，属于5D4→7F5跃迁，因此Tb3+是作为发射绿光荧光体的理想的掺杂中心[9]。图2是在221 nm激发下氯硼酸锶铽荧光体样品的发射光谱，是由6组线状峰构成的，其中位于543 nm处的强发射峰是来自于5D4→7F5的跃迁。这可以说明所合成的样品具有良好的绿色荧光发射[10]。这也可以说明氯硼酸锶是一种较好的掺Tb3+的发光基质。

图2　Sr2B5O9Cl: Tb3+发射谱图Fig.2　Emission spectra of Sr2B5O9Cl: Tb3+

3　结果与讨论

通过控制影响因素的用量，制备颗粒细小、发光性能良好的荧光粉，影响如下：

(1)炉温的影响：炉温太低，水分蒸发慢，燃烧反应不能启动，炉温太高，反应能迅速启动，但是反应过于剧烈，会导致一些高温相的生成，影响发光效果。经实验表明，最佳的炉温为900 ℃。

(2)尿素用量的影响：在燃烧过程中，尿素在反应中作为燃料，其含量的多少对产物的纯度和颗粒大小有重要影响，当尿素的加入量较小时，因为较少的尿素燃烧时所释放的能量不足以形成结晶良好的氯硼酸锶，导致荧光粉的发光强度差，加入的尿素量过多，则会导致样品过度烧结，燃烧不完全，碳残留在样品中，降低荧光粉的发光性能。经实验表明，最佳的尿素用量为17.6610 g。

(3)硼酸用量的影响： 适量的硼酸能有效降低灼烧温度和提高产物的发光性能，但硼酸的用量增大到一定程度时，进入发光粉晶格的硼酸含量也相应增大，有可能改变荧光粉的化学结构。经实验表明：最佳的硼酸用量为3.0915 g。

(4)Tb3+用量的影响：激活剂的浓度对荧光粉的发光强度有很大影响，当Tb3+浓度较低时，Tb3+-Tb3+之间的相互作用比较弱，随着Tb3+浓度的增加，荧光粉的发光强度逐渐增强，若Tb3+浓度进一步增加，Tb3+间距减小，Tb3+-Tb3+之间的相互增强，从而导致Tb3+的浓度猝灭，发光强度也随之降低。经实验表明：最佳Tb3+的用量为0.3739 g。

(5)减少杂质的干扰：由于杂质对于实验的干扰较强，本实验所使用的玻璃仪器均需用硝酸泡洗，杜绝使用金属器皿，活性炭使用前应需先烘干。

4　结　论

(1)利用燃烧法制备荧光材料，由于具有制备过程简单，时间短，一般合成实验都需要较长时间，但此实验只用30 min可得到产品，综合性强，涉及到准确称量，溶液配制，硝酸盐分解，凝胶自燃，有机助燃剂尿素助燃原理，物质的发光原理，及发光性能的表征，非常适合于本科生的基础实验。

(2)合成的荧光粉材料发光性能好，亮度高。根据具体的实验教学条件和实验教学学时情况，可以把荧光粉制成发光膜进行应用性探究。

(3)科研成果和无机实验的基础知识相融合，是深化无机化学实验改革的一个必然趋势和发展方向，为学生尽早接触到科学前沿领域、培养学生的科研意识和科研兴趣开辟了一条行之有效的途径。

[1]王海波,朱宪忠,任巨光.荧光粉涂敷法制白光LED前景广阔[J].中国照明电器,2004(5):1-4.

[2]郑久云,韩志刚,罗胜钦.白光LED的应用与驱动[J].现代显示,2009(8):43-46.

[3]余彬海.高效白光LED封装技术及封装材料研究[J].中国科技成果,2013(6):67-68.

[4]刘行仁,薛胜薜,黄德森等.白光LED现状和问题[J].光源与照明,2003(3):4-8.

[5]魏智.LED的技术发展与应用[J].国外电子元器件,2003(1):73-75.

[6]豆喜华.紫外激发荧光粉的制备及发光性质[D].广州:广东工业大学,2012:20-27.

[7]殷声,赖和怡.自蔓延高温合成法(SHS)的发展自蔓延高温合成技术和材料[M].北京:冶金工业出版社,1995.

[8]苑星海.介绍燃烧法合成纳米红色荧光粉实验[J].科技信息(学术版),2006(3):191.

[9]V. Pankratov, A. I. Popov, S. A. Chernov,Mechanism for energy transfer processes between Ce3+and Tb3+in LaPO4:Ce,Tb nanocrystals by time-resolved luminescence spectroscopy[J]. Physica Status Solidi B,2010,9(247):2252-2257.

[10]王芬.纳米稀土磷酸盐、硼酸盐发光材料的合成及性能研究[D].武汉:湖北大学,2009:1-49.

Application of Scientific Research Knowledge in Inorganic Chemistry Experiments*

LILan,HAOHong-qing

(School of Chemistry and Environment, Jiaying University, Jiaying Meizhou 514015, China)

An inorganic chemistry experiment is designed by the conversion of a scientific research. The experiment described preparation of Sr2B5O9Cl:Tb3+by combustion synthesis. Students were required to obtain small phosphor with good luminescence by controlling the temperature, amount of urea, dosage of boric acid and Tb3+concentration. The high comprehensive experiment can be beneficial to the improvement of students’ preparation ability in inorganic chemistry experiment. It is an inevitable trend and developmental direction for further deepening reform of inorganic chemistry experiments containing the application of scientific research in reform of inorganic chemistry experiments, development the contents of inorganic chemistry experiments and training scientific research and environmental consciousness of students.

inorganic chemistry experiment; reform; combustion method; Sr2B5O9Cl: Tb3+

广东省高等教育教学改革项目(粤教高函[2015]173号)；嘉应学院精品课程《无机化学》(No.415B0238, 嘉院教[2015]37号)；嘉应学院育苗工程(No.314E22)。

李岚(1983-)，女，实验师，主要研究方向为分子荧光。

O6-3

A

1001-9677(2016)015-0166-03