Способ получения люминофора, излучающего в синей и желтой областях спектра Российский патент 2025 года по МПК C09K11/55 C09K11/67 C09K11/78 

Изобретение относится к области получения люминофора на основе титаната кальция, активированного ионами диспрозия (III), излучающего в желтой области спектра. Данный люминофор может быть использован при производстве люминесцентных материалов для источников и преобразователей света, а также в качестве перспективного материала для светодиодных дисплеев, дисплеев на основе полевой эмиссии, плазменных панелей.

Известен способ получения наноразмерных порошков CaTiO₃:Dy³⁺ золь-гель методом. Данный метод включает несколько стадий: на первой стадии получают гель путем смешивания исходных компонентов в течение 4 ч с последующей выдержкой в течение 12 ч до образования геля; на второй стадии гель выдерживали в печи при температуре 70°С в течение 2-3 дней до образования ксерогеля; на третей стадии конечный продукт получали путем прокаливания ксерогеля при температуре 750°С в течение 4 ч (Punam Thakur, S.J. Khambadkar, Avish Patil, C.M. Dudhe, Pooja Thombare, A.A. Chaudhary «Characterization and photoluminescence of Dy³⁺ doped CaTiO₃ nanoparticles prepared by sol-gel method» // Indian Journal of Pure & Applied Physics. - 2018. - V. 56. - P. 853-858).

Недостатком данного метода является сложность применяемого оборудования, многостадийность и длительность процесса синтеза, дороговизна исходных компонентов, а также необходимость поддержания высокой температуры синтеза в течение длительного времени.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения люминофора, излучающего в синей и желтой областях спектра, методом твердофазного спекания. Метод получения CaTiO₃:Dy³⁺ состоит в перемешивании с добавлением ацетона стехиометрических количеств компонентов реакционной смеси (карбонат кальция; оксид титана; оксид диспрозия) с последующим ее высушиванием при температуре 80°С. Затем высушенная смесь спекалась при температуре 1300°С в течение 4 ч на воздухе со скоростью нагрева 5°С/мин (Fengxin Liu, Yongzheng Fang, Na Zhang, Guoying Zhao, Yufeng Liu «Enhancement of white light emission of Dy³⁺:CaTiO₃ phosphorby Li⁺ co-doping » // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. - 2015. - V. 26. - P. 3933-3938).

Недостатками известного способа являются длительное время процесса синтеза (4 ч), энергозатратность (температура синтеза составляет 1300°С).

Технический результат заключается в упрощении процесса синтеза люминофора на основе титаната кальция, активированного ионами диспрозия (III), в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза за счет использования простого оборудования, отсутствия подвода внешнего тепла для проведения реакции.

Сущность изобретения заключается в том, что способ получения люминофора, излучающего в синей и желтой областях спектра, общей формулой CaTiO₃:Dy³⁺, включает получение реакционной смеси путем предварительного механического перемешивания в шаровой мельнице в течение 60 мин порошков оксида или карбоната кальция, оксида диспрозия (III), оксида титана (IV), металлического титана и перхлората натрия, взятых в стехиометрических соотношениях. И проведение процесса экзотермического взаимодействия компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в реакторе открытого типа при атмосферном давлении на воздухе.

В таблице 1 приведены составы для получения люминофора, излучающего в синей и желтой области спектра, общей формулой CaTiO₃:Dy³⁺, с применением в шихте оксида кальция; в таблице 2 - с применением карбоната кальция; на фиг. 1 изображены спектры излучения (λ_ex = 354 нм) образца люминофора, изготовленного с применением оксида кальция; на фиг. 2 - с применением карбоната кальция.

Способ получения люминофора, общей формулой CaTiO₃:Dy³⁺, включает перемешивание реакционной смеси из порошков компонентов, взятых в стехиометрических соотношениях, оксида или карбоната кальция, оксида диспрозия (III), оксида титана (IV), металлического титана и перхлората натрия в шаровой мельнице в течение 60 минут с дальнейшим экзотермическим взаимодействием в реакционной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Процесс взаимодействия компонентов в полученной реакционной смеси осуществляют в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в реакторе открытого типа при атмосферном давлении на воздухе.

Пример 1. Способ получения люминофора на основе титаната кальция, активированного ионами диспрозия (III), общей формулой CaTiO₃:Dy³⁺

Готовят стехиометрическую реакционную смесь (состав 6 таблицы 1) для получения люминофора.

Для приготовления смеси в количестве 10 г используют следующие порошки: Оксид кальция (CaO) - 3,80 г (38,00 мас. %); Оксид диспрозия (III) (Dy₂O₃) - 0,13 г (1,30 мас. %); Оксид титана (IV) (TiO₂) - 3,83 г (38,30 мас. %); Титан (Ti) - 0,98 г (9,80 мас. %), Перхлорат натрия (NaClO₄) - 1,26 г (12,60 мас. %).

Полученную при механическом перемешивании порошков в шаровой мельнице в течение 60 мин гомогенизированную реакционную смесь помещают в кварцевую лодочку и инициируют процесс горения на воздухе с помощью газовой горелки. Далее процесс протекает в режиме СВС. По завершении прохождения в объеме смеси устойчивого фронта волны горения образуется спеченный продукт светло-коричневого цвета. Полученный продукт охлаждают на воздухе. Далее спек размалывают до необходимого размера частиц. Выход люминофора составляет более 60%. Рентгенофазовый анализ полученного продукта показал наличие только одной фазы, соответствующей структурному типу CaTiO₃.

Пример 2. Способ получения люминофора на основе титаната кальция, активированного ионами диспрозия (III), общей формулой CaTiO₃:Dy³⁺

Готовят стехиометрическую реакционную смесь (состав 7 таблицы 2) для получения люминофора.

Для приготовления смеси в количестве 10 г используют следующие порошки: Карбонат кальция (CaCO₃) - 5,15 г (51,50 мас. %); Оксид диспрозия (III) (Dy₂O₃) - 0,10 г (1,00 мас. %); Оксид титана (IV) (TiO₂) - 2,49 г (24,90 мас. %); Титан (Ti) - 1,00 г (10,00 мас. %), Перхлорат натрия (NaClO₄) - 1,26 г (12,60 мас. %).

Полученную при механическом перемешивании порошков в шаровой мельнице в течение 60 мин гомогенизированную реакционную смесь помещают в кварцевую лодочку и инициируют процесс горения на воздухе с помощью газовой горелки. Далее процесс протекает в режиме СВС. По завершению прохождения в объеме смеси устойчивого фронта волны горения образуется спеченный продукт светло-коричневого цвета. Полученный продукт охлаждают на воздухе. Далее спек размалывают до необходимого размера частиц. Выход люминофора составляет более 60%. Рентгенофазовый анализ полученного продукта показал наличие только одной фазы, соответствующей структурному типу CaTiO₃.

Исследование спектральных характеристик всех образцов люминофоров подтверждает их принадлежность к люминофорам, излучающим в синей и желтой областях спектра. Для образцов люминофоров характерны два максимума излучения с длинами волн 484 нм и 575 нм (наиболее интенсивный пик) соответственно, при длине волны возбуждения 354 нм.

По сравнению с известным решением, предлагаемый способ позволяет упростить и сократить время синтеза, общей формулой CaTiO₃:Dy³⁺, в режиме СВС за счет использования простого оборудования и отсутствия подвода внешнего тепла для проведения реакции.

Таблица 1

№ Количество компонентов, мас. % CaO Dy₂O₃ Ti TiO₂ NaClO₄ 1 39,10 0,70 6,70 44,90 8,60 2 38,30 0,60 9,90 38,50 12,70 3 37,60 0,60 12,90 32,30 16,60 4 36,90 0,60 15,90 26,40 20,20 5 38,80 1,30 6,70 44,70 8,50 6 38,00 1,30 9,80 38,30 12,60 7 37,30 1,30 12,90 32,20 16,30 8 36,50 1,20 15,80 26,30 20,20 9 38,40 1,90 6,70 44,40 8,60 10 37,70 1,90 9,80 38,10 12,50 11 36,90 1,90 12,80 32,00 16,40 12 36,20 1,80 15,70 26,20 20,10 13 38,10 2,60 6,60 44,20 8,50 14 37,40 2,50 9,80 37,90 12,40 15 36,60 2,50 12,70 31,90 16,30 16 35,90 2,40 15,60 26,10 20,00 17 37,80 3,20 6,60 44,00 8,40 18 37,00 3,20 9,70 37,70 12,40 19 36,30 3,10 12,70 31,70 16,20 20 35,60 3,00 15,60 25,90 19,90

Таблица 2

№ Количество компонентов, мас. % CaCO₃ Dy₂O₃ Ti TiO₂ NaClO₄ 1 53,40 0,50 5,10 34,30 6,70 2 52,60 0,50 7,60 29,60 9,70 3 51,80 0,50 10,00 25,00 12,70 4 51,00 0,50 12,30 20,50 15,70 5 53,10 1,00 5,10 34,20 6,60 6 52,30 1,00 7,60 29,50 9,60 7 51,50 1,00 10,00 24,90 12,60 8 50,70 1,00 12,30 20,40 15,60 9 52,70 1,50 5,10 34,10 6,60 10 51,90 1,50 7,60 29,40 9,60 11 51,10 1,50 9,90 24,80 12,70 12 50,40 1,40 12,20 20,40 15,60 13 52,40 2,00 5,10 34,00 6,50 14 51,60 2,00 7,50 29,30 9,60 15 50,80 1,90 9,90 24,70 12,70 16 50,00 1,90 12,20 20,30 15,60 17 52,00 2,50 5,10 33,90 6,50 18 51,20 2,40 7,50 29,20 9,70 19 50,40 2,40 9,90 24,70 12,60 20 49,70 2,40 12,20 20,30 15,40

Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано при изготовлении преобразователей света, светодиодных дисплеев, дисплеев на основе полевой эмиссии, а также плазменных панелей. Готовят реакционную смесь путём предварительного механического перемешивания в шаровой мельнице в течение 60 мин порошков оксида или карбоната кальция, оксида диспрозия (III), оксида титана (IV), металлического титана и перхлората натрия, взятых в стехиометрических соотношениях. Затем проводят процесс экзотермического взаимодействия её компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в реакторе открытого типа при атмосферном давлении на воздухе. Полученный люминофор излучает в синей и желтой областях спектра и имеет состав CaTiO₃:Dy³⁺. Изобретение позволяет упростить процесс и сократить время синтеза данного люминофора за счет использования простого оборудования и отсутствия подвода внешнего тепла для проведения реакции. 2 ил., 2 табл., 2 пр.

Способ получения люминофора, излучающего в синей и желтой областях спектра, общей формулой CaTiO₃:Dy³⁺, включающий приготовление реакционной смеси путём предварительного механического перемешивания в шаровой мельнице в течение 60 мин порошков оксида или карбоната кальция, оксида диспрозия (III), оксида титана (IV), металлического титана и перхлората натрия, взятых в стехиометрических соотношениях, с последующим проведением процесса экзотермического взаимодействия её компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в реакторе открытого типа при атмосферном давлении на воздухе.