專利名稱：銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體說涉及銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維
及其制備方法。
背景技術(shù)：
納米纖維是指在材料的三維空間尺度上有兩維處于納米尺度的線狀材料，通常徑 向尺度為納米量級，而長度則較大。由于納米纖維的徑向尺度小到納米量級，顯示出一系列 特性，最突出的是比表面積大，從而其表面能和活性增大，進(jìn)而產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)、表面或界 面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，并因此表現(xiàn)出一系列化學(xué)、物理(熱、光、聲、 電、磁等)方面的特異性。在現(xiàn)有技術(shù)中，有很多制備納米纖維的方法，例如抽絲法、模板合 成法、分相法以及自組裝法等。此外，還有電弧蒸發(fā)法，激光高溫?zé)品?，化合物熱解法。這 三種方法實(shí)際上都是在高溫下使化合物(或單質(zhì))蒸發(fā)后，經(jīng)熱解(或直接冷凝)制得納 米管，從本質(zhì)上來說，都屬于化合物蒸汽沉積法。 鋁酸鑭(LaA103)是一種重要的功能材料，其顆?？捎米鞔呋瘎?、吸附劑、電極 材料、微波介質(zhì)材料等。LaA103具有高介電常數(shù)，可用來替代Si(^作為柵極電介質(zhì)材 料。LaA103還具有與超導(dǎo)膜相匹配的晶格常數(shù)和相近似的熱膨脹系數(shù)，廣泛地用做超導(dǎo) 微波器件的基板材料。目前，LaA103納米材料的研究主要集中在納米粒子上，其合成方 法主要有高溫固相法、檸檬酸燃燒法、溶膠-凝膠法、沉淀法、EDTA凝膠法、反相微乳液 法等。如W. Li，et al采用共沉淀法制備了 LaA103納米粒子(Materials Letters, 2004， 58 (3-4) ，365-368) ;J. Chandradass， et al采用微乳液燃燒法合成了 LaA103納米粒子 (Journal of Alloys and Compounds,2009，481(1-2)，L31-L34) ;Zhong-Qing Tian，et al 采用燃燒法合成了 LaA103納米晶粉體(Materials Chemistryand Physics, 2007， 106 (1)， 126-129) ;Zahra Negahdari，et al采用蔗糖法制備LaA103納米粉體(Journal of Alloys and Compounds, 2009， 485 (1-2) ，367-371) ;S. K. Behera， et al采用超聲波輔助下，應(yīng)用 凝膠法制備了球型的LaA103納米粒子(Materials Letters, 2004， 58 (29) ， 3710-3715); Songlin Ran, et al采用三乙醇胺法制備了 LaA103纟內(nèi)米粉體(Ceramics International, 2008,34(2) ，443-446) ;Zushu Li， et al采用熔鹽法制備了 LaA103粉體(Journal of the European CeramicSociety， 2007， 27 (10) ， 3201-3205) ;Zhongqing Tian，et al采用反相微 乳液法制備了球型的LaA103納米粒子(Ceramics International, 2009， 35 (2) ， 661-664); J. Chandradass, et al采用反相膠束法可控合成了不同尺寸的LaA103納米粒子(Journal of Crystal Growth, 2009， 311 (14) ， 3631-3635) ;Prashant K. Sahu， et al采用凝膠-沉 淀技術(shù)應(yīng)用廉價(jià)的無機(jī)前驅(qū)體制備了 LaA103納米粒子(Ceramics International, 2004， 30 (7) ，1231-1235);肖軍等，采用溶膠_凝膠法制備了 LaA103超微粉末(應(yīng)用化學(xué)，1992， 9(5) ， 104-106) ;S. Naci Koc， et al應(yīng)用改進(jìn)的溶膠_凝膠法制備了 LaA103納米晶粒子 (Materials Research Bulletin, 2006， 41， 2291-2297)。田中青等，采用微乳液法制備了 納米LaA103粉體(中國發(fā)明專利，申請?zhí)?00710092723.9)。 LaA103也是一種良好的稀土發(fā)光材料的基質(zhì)。Xiaoming Liu， et al采用溶膠-凝膠法制備了 LaA103:RE3+(RE = Tm， Tb)納米發(fā)光粉體(Materials Letters, 2004， 58 (3-4) ， 365-368)。銪離子摻雜的鋁 酸鑭(LaA103:EU3+)是一種良好的紅色熒光材料，具有廣泛的應(yīng)用。目前未見LaAl(^和 LaA103:Eu3+納米纖維的報(bào)道。 專利號為1975504的美國專利公開了一項(xiàng)有關(guān)靜電紡絲方法(electrospinning) 的技術(shù)方案，該方法是制備連續(xù)的、具有宏觀長度的微納米纖維的一種有效方法，由 Formhals于1934年首先提出。這一方法主要用來制備高分子納米纖維，其特征是使帶電的
高分子溶液或熔體在靜電場中受靜電力的牽引而由噴嘴噴出，投向?qū)γ娴慕邮掌?，從而?shí) 現(xiàn)拉絲，然后，在常溫下溶劑蒸發(fā)，或者熔體冷卻到常溫而固化，得到微納米纖維。近IO年 來，在無機(jī)纖維制備技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了采用靜電紡絲方法制備無機(jī)化合物如氧化物納米纖維 的技術(shù)方案，所述的氧化物包括Ti02、 Zr02、 NiO、 Co304、 Mn203、 Mn304、 CuO、 Si02、 A1203、 V205、 ZnO、Nb205以及Mo(^等金屬氧化物。靜電紡絲方法能夠連續(xù)制備大長徑比微米纖維或者納 米纖維。 利用靜電紡絲技術(shù)制備納米材料時(shí)，原料的種類、高分子模板劑的分子量、紡 絲液的組成、紡絲過程參數(shù)和熱處理工藝對最終產(chǎn)品的形貌和尺寸都有重要影響。本 發(fā)明采用靜電紡絲技術(shù)，以硝酸鑭(La(N0》^6H沖、硝酸銪(Eu(N03)3 6H20)和硝 酸鋁(Al (N03) 3 9H20)為原料，聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為1300000)作為高 分子模板劑，N， N- 二甲基甲酰胺(匿F)為溶劑，在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，制備出PVP/ [La (N03) 3+Al (N03) 3+Eu (N03) 3]復(fù)合納米纖維，再經(jīng)過高溫處理后得到La卜xEuxA103 (x = 0-0. 1)多晶納米纖維。

發(fā)明內(nèi)容
在背景技術(shù)中的各種制備納米纖維的方法中，抽絲法的缺點(diǎn)是對溶液粘度要求太 苛刻；模板合成法的缺點(diǎn)是不能制備根根分離的連續(xù)纖維；分相法與自組裝法生產(chǎn)效率都 比較低；而化合物蒸汽沉積法由于對高溫的需求，所以工藝條件難以控制。并且，上述幾種 方法制備的納米纖維長徑比小。
背景技術(shù)：
中的使用靜電紡絲技術(shù)制備了金屬氧化物納米纖 維，但所使用的原料、模板劑、溶劑和最終的目標(biāo)產(chǎn)物與本發(fā)明不同。
背景技術(shù)：
中的各種制 備鋁酸鑭及稀土離子摻雜的鋁酸鑭納米材料的方法，其產(chǎn)物僅限于納米粒子。為了在納米 纖維領(lǐng)域提供一種稀土離子摻雜的鋁酸鑭發(fā)光納米纖維，并且，該纖維具有較大的長徑比， 我們發(fā)明了一種制備銪離子摻雜的鋁酸鑭多晶納米纖維的方法。 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，首先制備出用于靜電紡絲的具有一定粘度的紡 絲溶液，應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行靜電紡絲，在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，制備出PVP/ [La (N03) 3+Al (N03) 3+Eu (N03) 3]復(fù)合納米纖維，再經(jīng)過高溫處理后得到La卜xEuxA103 (x = 0-0. 1)多晶納米纖維。其步驟為
(1)配制紡絲液 紡絲液中鑭源和銪源使用的是硝酸鑭和硝酸銪，鋁源使用的是硝酸鋁，高分子模 板劑采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為1300000)。溶劑采用DMF。稱取一定量的硝酸鑭、 硝酸銪和硝酸鋁，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量的PVP加入到上述溶液中，于室溫 下磁力攪拌2 4h，并靜置2 3h，即形成紡絲液。該紡絲液各組成部分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為
4硝酸鹽含量6 10%， PVP含量10 15%，其余為溶劑DMF。 (2)制備PVP/ [La (N03) 3+Al (N03) 3+Eu (N03) 3]復(fù)合納米纖維采用靜電紡絲技術(shù)，技術(shù)參數(shù)為直流電壓為17 20kV ;噴嘴口徑為0. 7mm ;噴 嘴與水平面的夾角為15° ;注射器針頭噴嘴到接收屏的固化距離為16 20cm ;室內(nèi)溫度 18 28。C，相對濕度為40% 50%。
(3)制備Lai—xEuxA103(x = 0-0. 1)納米纖維 將所獲得的PVP/ [La (N03) 3+Al (N03) 3+Eu (N03) 3]復(fù)合納米纖維進(jìn)行熱處理，技術(shù)參 數(shù)為升溫速率為1 2°C /min，在800 IOO(TC溫度范圍內(nèi)保溫5 8h，之后隨爐體自然 冷卻至室溫，至此得到La卜xEuxA103(x = 0_0. 1)多晶納米纖維。 上述過程中所制備的Lai—xEuxA103(x = 0-0. 1)多晶納米纖維由納米粒子構(gòu)成，納 米纖維的直徑75 100nm，長度大于300 y m，具有良好的結(jié)晶性，屬于菱方晶系，實(shí)現(xiàn)了發(fā) 明目的。


圖1是PVP/ [La (N03) 3+Al (N03) 3]復(fù)合納米纖維的SEM照片。圖2是LaA103納米纖維的XRD譜圖。圖3是LaA103納米纖維的SEM照片。圖4是LaA103納米纖維的EDS譜圖。圖5是LaA103納米纖維的TEM照片。圖6是LaA103納米纖維的ED照片。圖7是PVP/ [La (N03) 3+Al (N03) 3+Eu (N03) 3]復(fù)合納米纖維的SEM照片。圖8是LaA103:Eu3+納米纖維的XRD譜圖。圖9是LaA103:EU3+納米纖維的SEM照片，該圖兼作摘要附圖。圖10是LaA103:Eu3+納米纖維的EDS譜圖。圖11是LaA103:Eu3+納米纖維的TEM照片。圖12是LaA103:Eu3+納米纖維的ED照片。圖13是LaA103:Eu3+納米纖維的激發(fā)光譜。圖14是LaA103:EU3+納米纖維的發(fā)射光譜。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所選用的硝酸鑭(La (N03) 3 6H20)、硝酸銪(Eu (N03) 3 6H20)、硝酸鋁 (Al (N03)3 9H20)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量1300000) 、N， N_ 二甲基甲酰胺(DMF)均為 市售分析純產(chǎn)品；所用的玻璃儀器和設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室中常用的。 實(shí)施例1 :制備LaA103多晶納米纖維。稱取一定量的硝酸鑭和硝酸鋁，硝酸鑭和硝 酸鋁的摩爾比為l : l，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量的PVP加入到上述溶液中， 于室溫下磁力攪拌2h，并靜置2h，即可得到均一、透明且有一定粘度的紡絲液。該紡絲液 各組成部分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為硝酸鹽含量6%， PVP含量15%， DMF含量79X。將配制好的 紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進(jìn)行靜電紡絲，噴嘴口徑O. 7mm，調(diào)整噴嘴與水平面的夾 角為15° ，施加17kV的直流電壓，固化距離16cm，室溫18t:，相對濕度為40X，得到PVP/
5[La(N03)3+Al(N03)3]復(fù)合納米纖維。將所制備的PVP/[La(N03)3+Al (N03)3]復(fù)合納米纖維 放到程序控溫爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率為1°C /min，在80(TC恒溫8h，之后隨爐體自然冷 卻至室溫，即得到LaA103多晶納米纖維。所制備的PVP/[La(N03)3+Al (N03)3]復(fù)合納米纖維 表面比較光滑，見圖l所示。所制備的LaA103多晶納米纖維具有良好的結(jié)晶性，其衍射峰 的d值和相對強(qiáng)度與LaA103的JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片(31-0022)所列的d值和相對強(qiáng)度一致，屬 于菱方晶系，見圖2所示。所制備的LaA103多晶納米纖維的直徑為80 100nm，長度大于 300iim，見圖3所示。LaA103多晶納米纖維由La、Al和0元素組成(Pt來自于SEM制樣時(shí) 表明鍍的Pt導(dǎo)電層)，見圖4所示。LaA103多晶納米纖維由納米粒子構(gòu)成，直徑約為25nm， 如圖5所示。LaA103多晶納米纖維的電子衍射照片如圖6所示，可見LaA103納米纖維屬于 多晶結(jié)構(gòu)。 實(shí)施例2 :制備La卜xEuxA103 (x = 0. 05)多晶納米纖維。稱取 一 定量的硝酸 鑭、硝酸銪和硝酸鋁，其中硝酸鑭和硝酸銪的摩爾比為0.95 : 0.05，[硝酸鑭+硝酸 銪]與硝酸鋁的摩爾比為l : l，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量的PVP加入到 上述溶液中，于室溫下磁力攪拌2h，并靜置3h，即可得到均一、透明且有一定粘度的紡 絲液。該紡絲液各組成部分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為硝酸鹽含量6%， PVP含量15%， DMF含量 79%。將配制好的紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進(jìn)行靜電紡絲，噴嘴口徑0.7mm，調(diào) 整噴嘴與水平面的夾角為15° ，施加17kV的直流電壓，固化距離16cm，室溫2(TC，相對 濕度為45 % ，得到PVP/ [La (N03) 3+Eu (N03) 3+Al (N03) 3]復(fù)合納米纖維。將所制備的PVP/ [La(N03)3+Eu(N03)3+Al (N03)3]復(fù)合納米纖維放到程序控溫爐中進(jìn)行熱處理，升溫速率為 1°C /min，在80(TC恒溫8h，之后隨爐體自然冷卻至室溫，即得到L^—xEuxA103 (x = 0. 05)多 晶納米纖維。所制備的PVP/ [La (N03) 3+Eu (N03) 3+Al (N03) 3]復(fù)合納米纖維表面比較光滑，見 圖7所示。所制備的La卜xEuxA103(x = 0. 05)多晶納米纖維具有良好的結(jié)晶性，其衍射峰 的d值和相對強(qiáng)度與LaA103的JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片(31-0022)所列的d值和相對強(qiáng)度一致，屬 于菱方晶系，見圖8所示。所制備的La卜xEuxA103(x = 0. 05)多晶納米纖維的直徑為75 100nm，長度大于300iim，見圖9所示。La卜xEuxA103(x = 0. 05)多晶納米纖維由La、 Eu、 Al 和O元素組成(Pt來自于SEM制樣時(shí)表明鍍的Pt導(dǎo)電層)，見圖IO所示。La卜xEuxA103(x = 0. 05)多晶納米纖維由納米粒子構(gòu)成，直徑約為25nm，如圖11所示。La卜xEuxA103(x = 0. 05) 多晶納米纖維的電子衍射照片如圖12所示，可見Lai—xEuxA103(x = 0. 05)納米纖維屬于多 晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)監(jiān)測波長為617nm時(shí)，L&1—xEuxA103 (x = 0. 05)多晶納米纖維的激發(fā)光譜主峰位 于305nm處的強(qiáng)寬譜帶，見圖13所示。在305nm的紫外光激發(fā)下，La卜xEuxA103(x = 0. 05) 多晶納米纖維發(fā)射出主峰位于617nm的明亮紅光，它對應(yīng)于Eu3+離子的5D。 一 7F2躍遷，屬于 Eu3+的強(qiáng)迫電偶極躍遷，見圖14所示。 實(shí)施例3 :制備La卜xEuxA103(x = 0. 1)多晶納米纖維。稱取一定量的硝酸鑭、硝 酸銪和硝酸鋁，其中硝酸鑭和硝酸銪的摩爾比為0.9 : 0.1，[硝酸鑭+硝酸銪]與硝酸 鋁的摩爾比為l : l，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量的PVP加入到上述溶液中，于 室溫下磁力攪拌4h，并靜置2h，即可得到均一、透明且有一定粘度的紡絲液。該紡絲液各 組成部分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為硝酸鹽含量10%， PVP含量10%， DMF含量80X。將配制好的 紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進(jìn)行靜電紡絲，噴嘴口徑O. 7mm，調(diào)整噴嘴與水平面的夾 角為15° ，施加20kY的直流電壓，固化距離20cm，室溫28。C，相對濕度為50%，得到PVP/[La(N03)3+Eu(N03)3+Al (N03)3]復(fù)合納米纖維，將其放到程序控溫爐中進(jìn)行熱處理，升溫速 率為2°C /min，在100(TC恒溫5h，之后隨爐體自然冷卻至室溫，即得到La卜xEuxA103(x = 0.1)多晶納米纖維，屬于菱方晶系，直徑為80 100nm，長度大于300iim。當(dāng)監(jiān)測波長為 617nm時(shí)，L^—xEuxA103(x = 0. 1)多晶納米纖維的激發(fā)光譜主峰位于305nm處的強(qiáng)寬譜帶。 在305nm的紫外光激發(fā)下，La卜xEuxA103(x = 0. 1)多晶納米纖維發(fā)射出主峰位于617nm的 明亮紅光，它對應(yīng)于Eu3+離子的5D。 一 7F2躍遷，屬于Eu3+的強(qiáng)迫電偶極躍遷。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變 形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維，其特征在于，所述的銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維的化學(xué)式為La1-xEuxAlO3(x＝0-0.1)，銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維由納米粒子構(gòu)成，納米纖維的直徑75～100nm，長度大于300μm，具有良好的結(jié)晶性，屬于菱方晶系。
2. —種如權(quán)利要求1所述的銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維的制備方法，其特征在 于，采用靜電紡絲技術(shù)，使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為高分子模板劑，采用N，N-二甲基甲酰 胺(匿F)為溶劑，制備產(chǎn)物為銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維，其步驟為(1) 配制紡絲液紡絲液中鑭源和銪源使用的是硝酸鑭和硝酸銪，鋁源使用的是硝酸鋁，高分子模板劑 采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為1300000)，溶劑采用DMF，稱取一定量的硝酸鑭、硝酸 銪和硝酸鋁，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量的PVP加入到上述溶液中，于室溫下磁 力攪拌2 4h，并靜置2 3h，即形成紡絲液，該紡絲液各組成部分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為硝酸 鹽含量6 10%， PVP含量10 15%，其余為溶劑DMF ;(2) 制備PVP/ [La (N03) 3+A1 (N03) 3+Eu (N03) 3]復(fù)合納米纖維采用靜電紡絲技術(shù)，技術(shù)參數(shù)為直流電壓為17 20kV，噴嘴口徑為0. 7mm，噴嘴與 水平面的夾角為15° ，注射器針頭噴嘴到接收屏的固化距離為16 20cm，室內(nèi)溫度18 28。C，相對濕度為40% 50% ;(3) 制備La卜xEuxA103(x = 0-0. 1)納米纖維將所獲得的PVP/ [La (N03) 3+Al (N03) 3+Eu (N03) 3]復(fù)合納米纖維進(jìn)行熱處理，技術(shù)參數(shù) 為升溫速率為1 2°C /min，在800 IOO(TC溫度范圍內(nèi)保溫5 8h，之后隨爐體自然冷 卻至室溫，至此得到La卜xEuxA103(x = 0_0. 1)多晶納米纖維。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維的制備方法，其特征在于， 鑭源和銪源使用的是硝酸鑭(La(N03)3*6H20)和硝酸銪(Eu (N03) 3 6H20)，鋁源使用的是硝 酸鋁(A1(N03)3 9H20)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維的制備方法，其特征在于， 高分子模板劑為分子量Mr = 1300000的聚乙烯吡咯烷酮。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維的制備方法，其特征在于， 溶劑采用N， N-二甲基甲酰胺。
全文摘要
本發(fā)明涉及銪離子摻雜鋁酸鑭多晶納米纖維及其制備方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括三個(gè)步驟(1)配制紡絲液。將硝酸鑭、硝酸銪、硝酸鋁和PVP溶于DMF中形成紡絲液。(2)制備PVP/金屬硝酸鹽復(fù)合納米纖維。采用靜電紡絲技術(shù)，電壓17～20kV；固化距離16～20cm；室內(nèi)溫度18～28℃，相對濕度40％～50％。(3)制備La1-xEuxAlO3(x＝0-0.1)納米纖維。將PVP/金屬硝酸鹽復(fù)合納米纖維進(jìn)行熱處理得到La1-xEuxAlO3(x＝0-0.1)多晶納米纖維，納米纖維由納米粒子構(gòu)成，直徑75～100nm，長度大于300μm，具有良好的結(jié)晶性，屬于菱方晶系。
文檔編號B82B1/00GK101786596SQ20101011726
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者于文生, 劉桂霞, 劉瑩, 王進(jìn)賢, 秦菲, 董相廷 申請人:長春理工大學(xué)