稀土掺杂纳米碳酸钙的可控制备及其发光性能研究

Rare earth-doped CaCO3 has broad application prospects because of its high physical and chemical stability，simple synthesis, low cost and good biocompatibility. This project intends to adjust and control the rare earth doping sites in the CaCO3 crystal matrix and the structure of CaCO3 matrix via the carbonation route based on the formation mechanism of CaCO3 and properties of rare earth ions so that rare earth ions doped nano-CaCO3 with regular morphology, uniform size, wide application, low cost and high luminous efficiency can be prepared. It will be studied systematically how the reaction conditions (including temperature, complexing agent, and gas flow rate etc.), the character of rare earth ions (ionic radius and charge), the chance of doping (doped at the crystal nucleation or crystal growth) and amount of rare earth impact on the structure (morphology, size, crystalline, crystall defects) of formed CaCO3 crystal and the rare earth doping sites (replacement doping, interval doping, and adhered onto the surface of CaCO3 particles); Furthermore, the laws and reasons of the impact will be investigated deeply. The relationship of the structure of matrix CaCO3, the rare earth doping sites, and luminescence properties of rare-earth will be found out so as to provide important theoretical basis and scientific experimental evidence for exploring rare earth luminescent materials with low cost and excellent performances.

碳酸钙基稀土发光材料因其物理化学性质稳定、合成工艺简单、成本低和生物相容性好等优点而具有广阔的应用前景。本项目拟利用碳化法，根据碳酸钙形成机理和稀土离子的属性，合理调控稀土离子在碳酸钙晶体中的掺杂格位以及碳酸钙基质的结构，制备形貌规则、尺寸均一、用途广泛的低成本高效率纳米CaCO3发光材料。系统研究反应条件（温度、络合剂、气体流速等）、稀土离子属性（如离子半径和电荷等）、掺杂时机（如晶体成核阶段和晶体生长阶段）和掺杂量对形成的碳酸钙晶体结构（形貌、尺寸、晶型、晶体缺陷等）和稀土离子在碳酸钙基质中的掺杂格位（晶格离子的置换、间隙掺杂、以及CaCO3颗粒表面）的影响规律及其原因；实现稀土掺杂纳米CaCO3的稀土掺杂格位、形貌和晶型的调控；深入研究稀土在碳酸钙基质中的掺杂位置以及基质CaCO3的结构与发光性能间的构效关系；为开发低成本、高性能的新型稀土发光材料提供重要的理论基础和科学的实验依据。

碳酸钙基稀土发光材料因其物理化学性质稳定、合成工艺简单、成本低和生物相容性好等优点而具有广阔的应用前景。本项目利用碳化法制备了立方体、纺锤形、针状等不同形貌的纳米碳酸钙基稀土发光材料因其物理化学性质稳定、合成工艺简单、成本低和生物相容性好等优点而具有广阔的应用前景。本项目利用碳化法制备了立方体、纺锤形、针状等不同形貌的纳米CaCO3:Eu3+荧光粉，研究了反应条件对形成的纳米碳酸钙的晶型、形貌、尺寸以及稀土离子在碳酸钙基质中的掺杂格位的影响规律及其原因。得到碳化法合成立方体CaCO3:Eu3+荧光粉的最佳条件为：Ca(OH)2浆液浓度为1.0mol/L，反应温度为15oC，N2和CO2的流速分别为1.0和0.5L/min。纺锤形的最佳合成条件为：反应温度为40oC，Ca(OH)2浆液浓度为1.0mol/L，CO2和N2流速分别为0.5和1.0L/min。针状的最佳合成条件为：Ca(OH)2浆液浓度为1.0mol/L，乙二醇和水的体积比为15/85，反应温度为25oC，N2和CO2流速分别为1.0和0.5L/min。相同Eu3+掺杂浓度的CaCO3:Eu3+荧光粉的发光强度针状>立方体>纺锤形。利用碳化法原位制备了疏水的立方体纳米CaCO3:Eu3+荧光粉，并将其应用于聚乙烯(PE)薄膜的制备中。疏水性纳米CaCO3:Eu3+荧光粉在聚乙烯膜中的分散性优于未改性的CaCO3:Eu3+荧光粉。良好的分散性使聚乙烯荧光薄膜在紫外光激发下发出更均匀、更强的红光。较低的紫外光透过率和良好的可见光透过率使聚乙烯荧光薄膜在农膜上具有潜在的应用前景。通过碳化法制备了纳米CaCO3:Gd3+,Eu3+和CaCO3:Tb3+,Eu3+荧光粉，得到了发光增强和颜色可调的立方体纳米碳酸钙荧光粉。利用碳化法在乙二醇-水混合溶剂体系中制备了CaCO3:Eu3+荧光粉，并研究了他们的形貌、结构和发光性能。本项目为开发低成本、高性能的新型稀土发光材料提供了重要的理论基础和科学的实验依据。