CN104910905A - 一种发白光的单基质碳点荧光粉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发白光的单基质碳点荧光粉的制备方法，是针对白光发光二极管用单基质碳点荧光粉荧光量子产率低、红绿蓝光比重低的情况，采用柠檬酸铵为碳源、磷酸铵为掺杂剂、去离子水为溶剂，采用微波法制成碳点荧光粉水溶液，经离心分离、过滤、冷冻、真空冷冻干燥、研磨，制成发白光的单基质碳点荧光粉，此制备方法工艺先进，迅速快捷，数据精确翔实，产物为棕色粉体颗粒状、颗粒直径≤10nm，产物纯度高，可达99％，是十分理想的制备水溶性单基质碳点荧光粉的方法。

Description

一种发白光的单基质碳点荧光粉的制备方法

技术领域

本发明涉及一种发白光的单基质碳点荧光粉的制备方法，属纳米碳材料荧光碳点的制备及应用的技术领域。

背景技术

白光发光二极管，因高效节能，绿色环保和寿命长的优点，被视为新一代照明技术，根据发光二极管发光机理，单色发光二极管芯片不能发出连续光谱，要得到白光，必须通过复合多种光色才能实现，目前，白光二极管主要有两种类型，即光色混合型白光发光二极管和荧光粉转换型白光发光二极管。

光色混合型白光发光二极管，是将红、绿、蓝三基色芯片封装在一起而形成多芯片组合的白光发光二极管器件，通过空间混色原理，按照比例进行匹配，使得红、绿、蓝三种颜色的光混合形成白光，这种方式得到的白光发光二极管由于发光时不需要经过荧光粉的转换，具有发光效率高、能量损耗少的优点。

荧光粉转换型白光发光二极管的获取方式主要有三种：第一种，将蓝光芯片作为激发源，与一种蓝光激发下产生黄光的荧光粉进行匹配，复合形成白光发光二极管；第二种，采用蓝光芯片激发同时发出红光和绿光的荧光粉，或在蓝光激发下分别产生红光和绿光两种不同光色的荧光粉与蓝光芯片匹配混合形成白光；第三种，用紫外光激发红、绿、蓝三基质荧光粉或红、绿、蓝单基质荧光粉获得白光；其中，以紫外芯片激发红、绿、蓝光单基质荧光粉是近年来新发展起来的一种技术，该方法的优点在于紫外光在白光配色过程中不实际参与，芯片发光强度与紫外光发光二极管波长的变化对形成白光没有太大的影响，这种方法制备出来的白光发光二极管成本低、显色性好，光色可调，采用转换效率高的荧光粉可以提高光效；目前，较常见的单基质荧光粉主要是稀土材料，硅、半导体量子点、石墨烯量子点及碳点；其中，稀土材料是使用最广的材料，它主要通过不同激活离子来实现不同颜色，这种白光实现方式的难点在于激活离子种类多，较难实现共激活；半导体量子点具有发射谱宽、量子产率高、光稳定性好的优点；以碳元素为基础的碳点及石墨烯量子点，作为新发现的荧光材料，继承了半导体量子点优异的光学性能，具有生物相容性好、环境友好的特点，是新兴单基质荧光粉的优异选择，已成为研究的热点。

单基质碳点荧光粉的制备，要求溶剂分散性好、单分散性好、光谱范围广、荧光量子产率高，常用的制备方法有电弧放电法、激光刻蚀法、电化学法、有机物碳化法、超声波法和水热合成法，但这些方法均存在技术上的不足和弊端。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的实际情况，以柠檬酸铵为碳源，磷酸铵为氮磷掺杂剂，采用微波辐射法，制备单基质碳点荧光粉，大幅度的提高发光材料的发光性能，以便在单基质荧光粉白光发光二极管中得到应用。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：柠檬酸铵、磷酸铵、无水乙醇、去离子水，其组合准备用量如下：以克、毫升为计量单位

制备方法如下：

(1)精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

(2)制备碳点荧光粉混合液

①配制溶液，称取柠檬酸铵5g±0.001g、磷酸铵1g±0.001g，量取去离子水10mL±0.1mL，加入烧杯中；然后将烧杯置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声频率40kHz，超声分散时间6min，分散后成混合溶液；

②将盛有混合溶液的烧杯置于微波加热炉中，进行加热，加热温度200℃±2℃，加热时间150s；

混合溶液在水热合成过程中将发生化学反应，反应方程式如下：

式中：

CDs：碳点荧光粉

NH₃：氨气

NH₄H₂PO₄：磷酸氢二铵

③冷却，水热合成后，停止加热，取出盛有碳点荧光粉混合液的烧杯；

(3)超声分散，在烧杯中加入无水乙醇40mL，去离子水10mL，然后将烧杯置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声频率40kHz，超声分散时间1min；

(4)离心分离，将超声波分散的混合液置于离心分离管内，进行离心分离，分离转速8000r/min，分离时间10min，分离后留存上清液，弃去沉淀物；

(5)蒸发去除无水乙醇，将上清液置于茄型瓶中，然后置于旋转蒸发机内，并密闭；然后抽取旋转蒸发机内空气，待机内压强降至10kPa；然后进行加热，加热温度40℃，加热时间10min，加热后除去无水乙醇，留存上清液；

(6)洗涤、过滤

将上清液加入烧杯中，然后加入去离子水100mL，搅拌5min，成混合液；然后用截留分子量1000的滤膜进行过滤，留存滤液，弃去沉淀物，洗涤、过滤重复进行三次。

(7)冷冻

将滤液置于冻干瓶中，并将冻干瓶置于冷冻箱中，进行冷冻，冷冻温度-80℃，冷冻时间为30min；

(8)真空冷冻干燥

将冻干瓶置于真空冷冻干燥箱中，进行真空冷冻干燥，冷冻干燥温度-88℃，真空度10Pa，冷冻干燥时间24h，冷冻干燥后为固体碳点荧光粉；

(9)研磨、过筛

将冷冻干燥后的固体碳点荧光粉用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛，研磨过筛重复进行，成单基质碳点荧光粉；

(10)检测、分析、表征

对制备的单基质碳点荧光粉的色泽、形貌、结构、成分、化学物理性能进行检测、分析、表征；

用透射电子显微镜进行形貌分析；

用荧光光谱仪和紫外可见分光光度计进行荧光性能分析；

用X射线光电子能谱仪进行成分分析；

用红外光谱仪进行表面官能团分析；

结论：单基质碳点荧光粉为棕色粉体颗粒，粉体颗粒直径≤10nm，产物纯度99％；

(11)产物储存

对制备的单基质碳点荧光粉储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光储存，要防水、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对白光发光二极管用单基质碳点荧光粉精度高、产率低的情况，采用柠檬酸铵为碳源、磷酸铵为掺杂剂、去离子水为溶剂，采用微波辐射法制成碳点荧光粉水溶液，经离心分离、过滤、冷冻、真空冷冻干燥、研磨，制成发白光的单基质碳点荧光粉，此制备方法工艺先进，迅速快捷，数据精确翔实，产物为棕色粉体颗粒、颗粒直径≤10nm，产物纯度高，达99％，是十分理想的发白光的单基质碳点荧光粉的制备方法。

附图说明

图1、碳点荧光粉混合液制备状态图

图2、发白光的单基质碳点荧光粉形貌图

图3、发白光的单基质碳点荧光粉色坐标图

图4、发白光的单基质碳点荧光粉红外光谱图

图5、发白光的单基质碳点荧光粉X射线光电子能谱图

图6、发白光的单基质碳点荧光粉荧光光谱图

图中所示，附图标记清单如下：

1、微波加热炉，2、电控箱，3、炉腔，4、工作台，5、烧杯，6、混合溶液，7、显示屏，8、指示灯，9、电源开关，10、加热温度控制器，11、加热时间控制器，12、微波控制器，13、微波发生器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为碳点荧光粉混合液制备状态图，各部位置、联接关系要正确，按量配比，按序操作。

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升为计量单位。

碳点荧光粉混合液的制备是在微波加热炉内进行的，是在微波加热状态下完成的；微波加热炉为立式，微波加热炉1右部为电控箱2，在微波加热炉1内为炉腔3，在微波加热炉1的内壁上设有微波发生器13，在炉腔3内底部为工作台4，在工作台4上放置烧杯5，烧杯5内为混合溶液6；在电控箱2上设置显示屏7、指示灯8、电源开关9、加热温度控制器10、加热时间控制器11，微波控制器12。

图2所示，为发白光的单基质碳点荧光粉形貌图，图中可见，制备的单基质碳点荧光粉为球形、分散性好，无团聚，粒径≤10nm，无晶格，具有无定形碳结构。

图3所示，为发白光的单基质碳点荧光粉色坐标图，图内所示，x＝0.3367，y＝0.3379，发白光。

图4所示，为发白光的单基质碳点荧光粉红外光谱图，纵坐标为透射率、横坐标为波数，图中可知：3226cm^-1归属于O-H的伸缩振动；1712cm^-1归属于C＝O的伸缩振动；1580cm^-1归属于C-N的伸缩振动；说明碳点荧光粉表面含有-OH和-COOH和O＝C-NH-。

图5所示，为发白光的单基质碳点荧光粉X射线光电子能谱图，从宽谱扫描图上可以看到在133，284，398和531eV分别出现四个峰，分别对应于P2p、C1s、N1s和O1s，说明碳点荧光粉主要由C、O、N三种元素组成并含有少量的P元素，C：O：N：P的原子比为64.0：24.5：8.3：3.1；以上结果说明碳点荧光粉为N元素和P元素掺杂的。

图6所示，为发白光的单基质碳点荧光粉荧光光谱图，图中可见，随着激发波长从365nm变化至445nm，发射峰位置从438nm移动至525nm，此依赖激发的发射行为意味着碳点荧光粉不同的表面基团形成不同的表面态，不同的表面态影响碳点荧光粉的带隙，进而引起依赖激发的发射现象，此现象有利于发射白光。

Claims (2)

1.一种发白光的单基质碳点荧光粉的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：柠檬酸铵、磷酸铵、无水乙醇、去离子水，其组合准备用量如下：以克、毫升为计量单位

制备方法如下：

(1)精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

(2)制备碳点荧光粉混合液

①配制溶液，称取柠檬酸铵5g±0.001g、磷酸铵1g±0.001g，量取去离子水10mL±0.1mL，加入烧杯中；然后将烧杯置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声频率40kHz，超声分散时间6min，分散后成混合溶液；

②将盛有混合溶液的烧杯置于微波加热炉中，进行加热，加热温度200℃±2℃，加热时间150s；

混合溶液在水热合成过程中将发生化学反应，反应方程式如下：

式中：

CDs：碳点荧光粉

NH₃：氨气

NH₄H₂PO₄：磷酸氢二铵

③冷却，水热合成后，停止加热，取出盛有碳点荧光粉混合液的烧杯；

(3)超声分散，在烧杯中加入无水乙醇40mL，去离子水10mL，然后将烧杯置于超声波分散仪中，进行超声分散，超声频率40kHz，超声分散时间1min；

(4)离心分离，将超声波分散的混合液置于离心分离管内，进行离心分离，分离转速8000r/min，分离时间10min，分离后留存上清液，弃去沉淀物；

(5)蒸发去除无水乙醇，将上清液置于茄型瓶中，然后置于旋转蒸发机内，并密闭；然后抽取旋转蒸发机内空气，待机内压强降至10kPa；然后进行加热，加热温度40℃，加热时间10min，加热后除去无水乙醇，留存上清液；

(6)洗涤、过滤

将上清液加入烧杯中，然后加入去离子水100mL，搅拌5min，成混合液；然后用截留分子量1000的滤膜进行过滤，留存滤液，弃去沉淀物，洗涤、过滤重复进行三次。

(7)冷冻

将滤液置于冻干瓶中，并将冻干瓶置于冷冻箱中，进行冷冻，冷冻温度-80℃，冷冻时间为30min；

(8)真空冷冻干燥

将冻干瓶置于真空冷冻干燥箱中，进行真空冷冻干燥，冷冻干燥温度-88℃，真空度10Pa，冷冻干燥时间24h，冷冻干燥后为固体碳点荧光粉；

(9)研磨、过筛

将冷冻干燥后的固体碳点荧光粉用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛，研磨过筛重复进行，成单基质碳点荧光粉；

(10)检测、分析、表征

对制备的单基质碳点荧光粉的色泽、形貌、结构、成分、化学物理性能进行检测、分析、表征；

用透射电子显微镜进行形貌分析；

用荧光光谱仪和紫外可见分光光度计进行荧光性能分析；

用X射线光电子能谱仪进行成分分析；

用红外光谱仪进行表面官能团分析；

结论：单基质碳点荧光粉为棕色粉体颗粒，粉体颗粒直径≤10nm，产物纯度99％；

(11)产物储存

对制备的单基质碳点荧光粉储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光储存，要防水、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

2.根据权利要求1所述的一种发白光的单基质碳点荧光粉的制备方法，其特征在于：碳点荧光粉混合液的制备是在微波加热炉内进行的，是在微波加热状态下完成的；微波加热炉为立式，微波加热炉(1)右部为电控箱(2)，在微波加热炉(1)内为炉腔(3)，在微波加热炉(1)的内壁上设有微波发生器(13)，在炉腔(3)内底部为工作台(4)，在工作台(4)上放置烧杯(5)，烧杯(5)内为混合溶液(6)；在电控箱(2)上设置显示屏(7)、指示灯(8)、电源开关(9)、加热温度控制器(10)、加热时间控制器(11)，微波控制器(12)。