煤气化炉渣碳热还原氮化合成Ca-α-SiAlON:Eu荧光粉及其发光性能研究

Rare-earth-doped SiAlON (SiAlON: Re) as the representative of oxynitride phosphors has became a hot topic for their good stability and reliability. Among its various synthetic methods, the research on preparation of SiAlON:Re phosphors by carbothermal reduction nitridation (CRN) of solid waste has not been reported. Coal gasification slag is a by-product from coal gasification process. After understanding the formation mechanism of Ca-α-SiAlON by CRN of coal gasification slag, and the tailoring of composition and morphology of nitridation products by adjusting the composition of coal gasification slag and nitridation process, to synthesize Ca-α-SiAlON:Eu phosphors by CRN of coal gasification slag with the addition of europium oxide is proposed in this project. In this study, by adjusting the Eu2O3 content and nitridation process, high purity Ca-α-SiAlON:Eu phosphors with different Eu ion doping concentration or powder morphology will be fabricated. Thus, the effect of Eu2O3 content and nitridation process on the structure and morphology of the synthesized Ca-α-SiAlON doped with Eu will be disclosed. The effect of Eu ion doping concentration and powder morphology on the luminescence properties of Ca-α-SiAlON:Eu phosphors will be further revealed. The scientific issues involved in this project will theoretically support the potential fabrication of SiAlON:Re phosphors from coal gasification slag. Furthermore, those results shed light on the synthesis of SiAlON:Re phosphors from other solid wastes with the similar composition.

以稀土掺杂SiAlON（SiAlON:Re）为代表的氮氧化物荧光粉以其良好的稳定性和可靠性已成为研究热点。在其众多制备方法中，利用固体废弃物合成荧光粉的研究尚未见报道。本项目组在掌握煤炭气化的副产品—煤气化炉渣碳热还原氮化合成Ca-α-SiAlON机理，通过调整炉渣组成和氮化工艺实现产物组成和形貌可控等工作积累基础上，提出以煤气化炉渣为原料，添加氧化铕，碳热还原氮化合成Ca-α-SiAlON:Eu荧光粉。本项目将通过合理调整Eu2O3添加量和氮化工艺，合成出具有不同Eu离子掺杂浓度或不同形貌特征的高纯Ca-α-SiAlON:Eu荧光粉，系统研究Eu2O3添加量和氮化工艺对合成Eu离子掺杂Ca-α-SiAlON的结构和形貌的影响，进一步揭示Eu离子掺杂浓度和粉体形貌对荧光粉发光性能的影响规律。本项目研究将为煤气化炉渣及其它具有相似组成的固体废弃物在SiAlON:Re荧光粉的应用提供科学依据。

Ca-α-SiAlON:Eu荧光粉以其良好的稳定性和可靠性已成为研究热点。在其众多制备方法中，利用固体废弃物合成荧光粉的研究尚未见报道。本项目提出以煤气化炉渣为原料，添加氧化铕，碳热还原氮化合成Ca-α-SiAlON:Eu荧光粉。通过调整Eu2O3添加量和氮化工艺，研究Eu2O3的添加对煤气化炉渣碳热还原氮化过程的影响，Eu2O3添加量和氮化工艺对合成Ca-α-SiAlON:Eu的结构和形貌的影响，进一步揭示Eu离子掺杂浓度和粉体形貌对荧光粉发光性能的影响规律。研究结果表明： .（1）氧化铕的添加量不同对碳热还原氮化的影响机理不同。较少的添加不影响氮化产物的组成，铕离子仅固溶入Ca-α-SiAlON晶格中，无其它杂质相生成。另外氧化铕的添加在一定程度上促进了Ca-α-SiAlON的生长，在较低温度下合成出柱状Ca-α-SiAlON；较多的添加对碳热还原氮化的影响较大，氮化产物中均未有或仅少量Ca-α-SiAlON生成，低温产物以铕的硅氧化物为主，高温产物以铕的硅氮化物为主。.（2）合理控制Eu2O3的添加量，可合成出不同Eu离子掺杂浓度的Ca-α-SiAlON荧光粉，且Ca-α-SiAlON均呈现六棱柱状形貌；氮化温度的升高提高了Ca-α-SiAlON的相纯度和结晶性，促进了荧光粉发射强度的提高。.（3）在一定范围内增加氧化铕的含量（<10 wt%），Ca-α-SiAlON中Eu离子掺杂浓度不断增大，提高了荧光粉的发射强度。当Eu2O3添加量为10wt%左右，Eu离子掺杂浓度已接近饱和，继续增大含量，Eu2Si5N8杂质相增多，对荧光粉的发射性能不利。.（4）煤气化炉渣合成的Ca-α-SiAlON:Eu荧光粉与商业氧化物合成的荧光粉均在420nm激发光的照射下，发射出黄光。从发射峰强度来看，炉渣合成荧光粉的强度为91%氧化物合成的荧光粉。另外，两种荧光粉均具有较低的温度淬灭效应。