四氧化三铁/稀土钒酸钇多功能复合物的制备及性能研究

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近年来,荧光、磁性纳米复合材料因为兼具磁性微粒的快速分离和荧光体的优异荧光特性,在生物、化学、医学、废水处理等交叉科学领域具有广泛的应用,得到越来越多科研工作者的关注。在本文中,我们主要采用Fe3O4作为核,掺杂稀土的YVO4荧光体作为壳,碳层作为两者之间的界面,通过溶胶凝胶的方法制备了一系列掺杂不同稀土离子的双功能复合物。并且系统地研究和比较了这些双功能复合物的结构,形貌,荧光和磁性性质。我们也讨论了双功能复合物在磁场下作用不同时间对荧光强度的变化规律。为了拓广这种多功能材料的应用,我们还通过自组装方法制备了花状结构的荧光、磁性,介孔多功能复合物,该复合物表现出优异的荧光和磁性性能,并具有较大的比表面积。并且以亚甲基蓝为代表,研究了其对废水中有机染料的吸附能力。具体工作内容如下:我们通过溶剂热,溶胶-凝胶方法的结合制备了Fe3O4@C@YVO4:Eu3+,Fe3O4@C@YVO4:Dy3+和Fe3O4@C@YVO4:Sm3+三种荧光、磁性双功能复合物材料,并对它们的形成过程进行了详细的讨论。通过XRD, Raman, XPS, SEM,TEM和HRTEM等分别对这三种双功能复合物的结构和形貌进行了表征。以Fe3O4@C@YVO4:Eu3+为例,通过一系列实验摸索得到了最佳合成条件。Fe3O4@C@YVO4:Eu3+的激发光谱和发射光谱通过荧光光谱进行了研究。在320nm的监测波长下,该复合物的发射光谱表现出了Eu3+的特征发射峰,该样品发出很好的红色荧光,在紫外灯下的数码照片也证明了这一点。但是,与纯发光材料YVO4:Eu3+相比,该复合物的发光强度降低了大约70%,这是由于磁性核对荧光的猝灭作用造成的。通过VSM测试研究了该复合物的磁性性质,表明该复合物有较强的磁性,但是由于在磁性核表面包覆了没有磁性的碳层和荧光壳,使复合物的磁性大小相比单纯的Fe3O4降低了许多。同时我们还探讨了复合物在磁场作用下不同时间对荧光强度的变化规律,并给出了可能的机理解释。其中,当在磁场下作用3h时,由于复合物吸收外磁场的能量使Fe3O4的3d轨道上的电子摆脱束缚,跃迁至发光部分YVO4:Eu3+中Eu3+的4f轨道上,而使复合物的发光强度达到最大值。这为我们以后研究磁性和荧光之间的相互作用提供了很好的依据。对于Fe3O4@C@YVO4:Dy3+和Fe3O4@C@YVO4:Sm3+体系,通过荧光光谱系统的研究了他们的荧光性质。我们分别研究了掺杂不同浓度Dy3+和Sm3+复合物的荧光性质,通过发光强度的比较,我们确定在复合物中Dy3+的最佳掺杂浓度为1%,而超过该掺杂浓度会由于离子浓度猝灭而使得发光强度减弱。同样地,Sm3+的最佳掺杂浓度也为1%。在320nm的监测波长下,这两种复合物的发射光谱分别表现出了Dy3+和Sm3+的特征光谱峰,分别发射出很好的黄-绿色荧光和橙红光。另外,这两种双功能复合物相比纯发光材料(YVO4:Dy3+和YVO4:Sm3+),他们的发光强度降低了大约60%左右,这都是由于磁性核对发光壳的猝灭作用造成的。通过VSM测试研究了这两种复合物的磁性性质,结果表明这两种双功能复合物都具有较强的磁性性质。为了得到荧光和磁性性质都良好的双功能复合物,我们还详细地研究了不同核/壳质量比分别对这两种复合物的荧光和磁性性能的影响。当核/壳质量比为1:3的时候,这两种复合物有较强的荧光和磁性性质。通过XRD,SEM和TEM对比研究了这三种复合物的结构和形貌。结果发现掺杂不同的稀土离子,对他们结构和形貌基本没有太大的影响。VSM测试表明这三种复合物的磁性大小也是相当的。我们还通过荧光光谱和CIE色坐标对比研究了这三种复合物的荧光性质和发光颜色。掺杂Eu3+, Dy3+和Sm3+的三种复合物的发射光谱分别表现出Eu3+, Dy3+和Sm3+的特征发射峰,分别位于色坐标中红色,黄-绿色和橙红色发光区域。我们制备了以SiO2作为界面的多功能复合物Fe3O4/YVO4:Eu3+-SiO2和Fe3O4@SiO2@YP0.1V0.9O4:Dy3+。对于Fe3O4/YVO4:Eu3+-SiO2,我们通过简单、经济的自组装方法制备得到。通过XRD, SEM, TEM, XPS和氮气吸附对复合物的形成,结构和形貌进行了讨论和研究。通过荧光光谱对复合物的荧光性质进行了研究。在292nm的监测波长下,该复合物表现出Eu3+的特征发射峰,发射良好的红色荧光。通过VSM测试对该复合物的磁性性质进行了表征,表明其有较强的磁性性质,可以通过外部磁场对其进行操作。我们还探讨了该多功能复合物材料在磁场作用下不同时间的荧光强度的变化规律,并给出可能的机理解释。由于Fe3O4捕获了Eu3+的激发态电子而使复合物的荧光强度降低,在3h时达到最低值,之后随着时间的延长,这种捕获作用消失,而使复合物的荧光强度又增强。最后,我们还以亚甲基蓝为代表,研究了该多功能复合物对废水中有机染料的吸附能力,在30min内,吸附效率可达98%。对于Fe3O4@SiO2@YP0.1V0.9O4:Dy3+,通过溶胶凝胶的方法制备得到。它具有良好的荧光和磁性性质。
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