СПОСОБ СИНТЕЗА ЛЮМИНОФОРА НА ОСНОВЕ НАНОТУБУЛЯРНОГО ДИОКСИДА ГАФНИЯ Российский патент 2024 года по МПК C09K11/67 B82B3/00 C01G27/02 C25B1/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к технологии получения люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

В качестве прототипа выбран способ синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния, при выполнении которого используют емкость для проведения синтеза люминофора, в которой находятся электроды, один из которых представлен в виде гафниевой фольги, при этом емкость заполнена электролитом, состоящим из фторида аммония, воды и этиленгликоля, при этом синтез люминофора реализуют при комнатной температуре следующим образом: к электроду из нелегированной гафниевой фольги подключают положительный вывод источника питания, к электроду из платины подключают отрицательный вывод источника питания, подают постоянное напряжение величиной 60 В на электроды в течение часа, после чего полученный люминофор высушивают. [Ariete Apolinario et al. Tailoring the Anodic Hafnium Oxide Morphology Using Different Organic Solvent Electrolytes, Nanomaterials, 2020, 10, 382 URL: https://web.archive.org/web/20220619141253/https://www.mdpi.com/2079-4991/10/2/382, дата публикации: 22.02.2020 г.].

Недостатком прототипа являются слабо выраженные люминесцентные свойства люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния, обусловленные применяемыми режимами его синтеза, благодаря которым полученные структуры обладают недостаточной геометрической однородностью, поскольку представляют собой смесь нанопористой и нанотубулярной морфологий, и низкой удельной площадью поверхности. Все это в совокупности ухудшает люминесцентные свойства люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния. Кроме того, использование платины в качестве электрода, к которому подключают отрицательный вывод источника питания, существенно повышает материалоемкость драгоценных металлов в процессе синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния, что совокупно снижает эффективность способа синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости повышения эффективности способа синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в улучшении люминесцентных свойств люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния с сопутствующим снижением материалоемкости используемых драгоценных металлов в процессе синтеза люминофора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Способ синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния, при выполнении которого используют емкость для проведения синтеза люминофора с помещенными в нее электродами, один из которых представлен в виде нелегированной гафниевой фольги, при этом емкость заполнена электролитом, состоящим из фторида аммония, воды и этиленгликоля, а синтез люминофора реализуют рядом следующих этапов:

- электрод из нелегированной гафниевой фольги подключают к положительному выводу источника питания;

- подают напряжение на электроды и поддерживают постоянным;

- после проведения электролиза люминофор высушивают;

В отличие от прототипа:

- в качестве материала, из которого изготовлен электрод, подключенный к отрицательному выводу источника питания, используют нержавеющую сталь;

- электрод из нелегированной гафниевой фольги закрепляют на термостатирующем элементе;

- температуру электрода из нелегированной гафниевой фольги поддерживают постоянной и равной величине из диапазона 20-25°C;

- напряжение, подаваемое на электроды, устанавливают на величину из диапазона 16-40 В;

- после сушки люминофор отжигают при температуре 300°C.

Гафниевая фольга выступает в качестве материала, на поверхности которого создают нанотубулярную структуру. В качестве нанотубулярной структуры выступает диоксид гафния. Нанотубулярная структура диоксида гафния обладает люминесцентными свойствами.

Люминесценция в нанотубулярном диоксиде гафния возникает под воздействием ультрафиолетового облучения за счет наличия дефектов в атомной структуре материала, а именно, кислородных вакансий.

Электролит является средой, в которой возможен процесс окисления поверхности гафниевой фольги. Он состоит из 0,5 масс.% фторида аммония, 2 масс.% дистиллированной воды, и 97,5 масс.% этиленгликоля. Электролит предоставляет фторид ионы для прохождения процесса образования ионов гафния 4+ и кислород для прохождения процесса образования диоксида гафния. Этиленгликоль выполняет функцию растворителя для воды и фторида аммония.

Емкость для проведения синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния обеспечивает возможность размещения в ней электролита для проведения синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния. В качестве емкости для проведения синтеза люминофора может быть использована электрохимическая ячейка или иные емкости, обладающие стойкостью к прохождению электрохимической реакции.

Источник питания подключают к электродам, что обеспечивает возможность проведения электрохимической реакции внутри емкости за счет того, что он подает и поддерживает напряжение на электродах постоянным в течение всего времени синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Электрод, к которому подключен отрицательный вывод источника питания (катод), обеспечивает возможность прохождения электрического тока через электролит. Для снижения материалоемкости используемых драгоценных металлов в процессе синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния в качестве катода используют нержавеющую сталь.

Электрод, к которому подключают положительный вывод источника питания (анод), обеспечивает возможность окисления на своей поверхности металла, из которого он изготовлен. Данный электрод выполнен из гафниевой фольги. При этом, для улучшения люминесцентных свойств люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния в качестве анода используют нелегированную гафниевую фольгу.

Термостатирующий элемент обеспечивает возможность установки и поддержания постоянного значения температуры анода. В качестве термостатирующего элемента могут использовать латунную пластину, соединенную с элементом Пельтье.

Температуру анода поддерживают постоянной и равной величине из диапазона 20-25°C, что обеспечивает преимущественный рост люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния с аморфной атомной структурой. В случае выхода величины температуры из представленного диапазона будут нарушены геометрические параметры нанотубулярной структуры диоксида гафния.

Электрод, изготовленный из гафниевой фольги, могут закреплять в емкости посредством зажима или иными способами крепления. При этом, для повышения люминесцентных свойств люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния вышеупомянутый электрод закрепляют на термостатирующем элементе.

Напряжение, подаваемое на электроды, устанавливают на величину из диапазона 16-40 В, что обеспечивает преимущественный рост аморфных структур. В случае выхода величины напряжения из представленного диапазона будут нарушены геометрические параметры нанотубулярной структуры диоксида гафния и приведет к росту сплошного или нанопористого слоя диоксида гафния.

Напряжение подают на электроды и поддерживают постоянным в течение четырех часов, что обеспечивает рост слоя нанотубулярного диоксида гафния оптимальной толщины.

После воздействия напряжения люминофор высушивают. Процесс высушивания удаляет остатки электролита с поверхности синтезированного люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния. Сушку могут осуществлять при любой температуре, не нарушающей целостность нанотубулярной структуры диоксида гафния.

Отжиг люминофора обеспечивает возможность очистить поверхность от остатков прекурсоров, использованных в процессе синтеза, что увеличивает интенсивность люминесценции. Отжиг может быть произведен при помощи любых известных видов термического воздействия. При этом для улучшения люминесцентных свойств люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния отжиг производят при 300°C. Отжиг могут производить в печи или при использовании иных устройств термической обработки.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:

- в качестве материала, из которого изготовлен электрод, подключенный к отрицательному выводу источника питания, используют нержавеющую сталь;

- электрод из нелегированной гафниевой фольги закрепляют на термостатирующем элементе;

- температуру электрода из нелегированной гафниевой фольги поддерживают постоянной и равной величине из диапазона 20-25°C;

- напряжение, подаваемое на электроды, устанавливают на величину из диапазона 16-40 В;

- после сушки люминофор отжигают при температуре 300°C.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет добиться доминирования аморфной фазы и увеличения удельной площади поверхности, на которую падает возбуждающее излучение. Совокупность существенных признаков изобретения также позволяет стабилизировать нанотубулярную структуру диоксида гафния, тем самым предотвращая появление брака в процессе синтеза люминофора.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в улучшении люминесцентных свойств люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния с сопутствующим снижением материалоемкости используемых драгоценных металлов в процессе синтеза люминофора, тем самым повышается эффективность способа синтеза люминофора синего спектра излучения на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники не известен способ синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния, обладающий представленными отличительными признаками. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - Емкость для проведения синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Фиг. 2 - Снимок люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния просвечивающим электронным микроскопом.

Фиг. 3 - Снимок люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния сканирующим электронным микроскопом, вид сверху.

Фиг. 4 - Снимок люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния сканирующим электронным микроскопом, вид сбоку.

Фиг. 5 - Дифрактограмма люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Фиг. 6 - Спектр люминесценции люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Для осуществления способа синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния используют емкость 10 для проведения синтеза люминофора, содержащую электроды 12 и 14 (фиг. 1). Электрод 12 выполнен из гафниевой фольги и закреплен на термостатирующем элементе 16, который представлен в виде латунной пластины, соединенной с элементом Пельтье, а электрод 14 выполнен из нержавеющей стали. Емкость 10 заполняют электролитом 18, состоящим из фторида аммония, дистиллированной воды и этиленгликоля.

Способ синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния осуществляется следующим образом.

Электрод 12 из гафниевой фольги закрепляют в емкости 10 таким образом, чтобы одна сторона гафниевой фольги контактировала с термостатирующим элементом 16, а другая сторона контактировала с электролитом 18. Далее в емкость 10, напротив гафниевой фольги, размещают электрод 14 из нержавеющей стали. После чего положительный вывод источника питания подключают электроду 12, выполненному из гафниевой фольги, а отрицательный вывод источника питания подключают к электроду 14, выполненному из нержавеющей стали.

После размещения электродов 12 и 14 в емкости 10 и заполнения её электролитом 18 включают термостатирующий элемент 16. Термостатирующий элемент 16 охлаждает содержимое емкости 10 до температуры, равной 20°C. После того, как в емкости 10 установилась вышеупомянутая температура, на электроды 12 и 14 подается напряжение равное 40 В. Напряжение на электродах 12 и 14 поддерживают на уровне 40 В в течение четырех часов.

По окончании процесса синтеза на фольге образуются нанотубулярные структуры диоксида гафния длиной 10 ± 3 мкм и средним диаметром 46 ± 7 нм. Гафниевую фольгу извлекают из емкости 10 и промывают дистиллированной водой для того, чтобы отчистить поверхность люминофора от остатков электролита 18. Затем люминофор высушивают на открытом воздухе. После высыхания люминофора его помещают в печь для проведения отжига. Отжиг люминофора производится в воздушной среде при 300°C в течение двух часов. По окончании отжига люминофор остывает до комнатной температуры.

Достижение технического результата подтверждается снимками, полученными с использованием просвечивающего (фиг. 2) и сканирующего (фиг. 3, 4) электронных микроскопов, дифрактограммой (фиг. 5), а также измеренным спектром люминесценции полученного люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния (фиг. 6). В частности, на фиг. 2-4 видно, что формируемая в процессе синтеза нанотубулярная структура диоксида гафния является стабильной, благодаря чему полученный люминофор не имеет брака нанотубулярной структуры диоксида гафния и характеризуется высокой удельной площадью поверхности. Фиг. 5 демонстрирует, что достигается доминирование аморфной фазы, которое подтверждается наличием гало в диапазоне 20-40°С, а узкие пики разной интенсивности на дифрактограмме возникают от гафниевой фольги. На фиг. 6 видно, что максимум люминесценции полученного люминофора находится в сине-зеленой спектральной области, что соответствует свечению поверхностных дефектов, а именно кислородных вакансий.

Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в улучшении люминесцентных свойств люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния, с сопутствующим снижением материалоемкости используемых драгоценных металлов в процессе синтеза люминофора, тем самым повышается эффективность способа синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния.

Изобретение относится к химической промышленности и нанотехнологии. При синтезе люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния используют ёмкость, заполненную электролитом, состоящим из фторида аммония, воды и этиленгликоля, с помещёнными в неё электродами, один из которых подключён к положительному выводу источника питания, представлен в виде нелегированной гафниевой фольги и закреплён на термостатирующем элементе для поддержания его температуры постоянной в диапазоне 20–25°C. Электрод, подключённый к отрицательному выводу источника питания, изготовлен из нержавеющей стали. На электроды подают напряжение 16–40 В и поддерживают его постоянным в течение четырёх часов. В качестве термостатирующего элемента используют латунную пластину, соединённую с элементом Пельтье. После проведения электролиза люминофор высушивают и отжигают при 300°C. Технический результат: повышение эффективности способа синтеза за счёт улучшения люминесцентных свойств люминофора синего спектра излучения и снижения материалоемкости используемых драгоценных металлов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ синтеза люминофора на основе нанотубулярного диоксида гафния, включающий использование ёмкости для проведения синтеза люминофора с помещёнными в нее электродами, один из которых представлен в виде нелегированной гафниевой фольги, при этом ёмкость заполнена электролитом, состоящим из фторида аммония, воды и этиленгликоля, а синтез люминофора реализуют рядом следующих этапов:

- электрод из нелегированной гафниевой фольги подключают к положительному выводу источника питания;

- подают напряжение на электроды и поддерживают его постоянным;

- после проведения электролиза люминофор высушивают,

отличающийся тем, что:

- в качестве материала, из которого изготовлен электрод, подключённый к отрицательному выводу источника питания, используют нержавеющую сталь;

- электрод из нелегированной гафниевой фольги закрепляют на термостатирующем элементе;

- температуру электрода из нелегированной гафниевой фольги поддерживают постоянной и равной величине из диапазона 20–25°C;

- напряжение, подаваемое на электроды, устанавливают на величину из диапазона 16–40 В;

- после сушки люминофор отжигают при температуре 300°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостатирующего элемента используют латунную пластину, соединённую с элементом Пельтье.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что напряжение между электродами поддерживают постоянным в течение четырёх часов.