一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及光电材料技术领域，更具体地，涉及一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物及其制备方法和应用。


背景技术：

2.白光发光二极管(照明)由于其节能、光效高等诸多优点，正逐步成为人们日常生活所用的照明光源。在国家政策的大力引导和市场的巨大需求下，学界积极探索新型的白光照明发光材料，促使照明产业规模不断壮大。目前，广泛采用的施行方法有以下三种：第一种为使用红绿蓝三基色的led组成白光器件，但是其成本高且白光光色调控与反馈复杂，限制了其广泛应用；第二种方法是通过蓝光led加上黄色荧光粉转换层形成白光器件，但是蓝光对人眼具有一定的危害，容易导致白内障和黄斑病变等眼疾；第三种为紫外led加上蓝绿红三基色荧光粉转换层，这种方法虽然减少了蓝光伤害，但是会造成不同荧光粉之间的重吸收和长期使用条件下多个复合荧光粉所导致的光色不稳定问题，所以为了解决以上问题，寻找紫外激发的单基质白色荧光粉是有效的办法之一。
3.近年来，无铅钙钛矿材料因其相比于铅卤钙钛矿而言，毒性小、发射光谱宽、斯托克斯位移大、材料稳定性好等一系列独特的光学性质而成为近年来研究的焦点，并取得了重大进展，但是，目前大部分的无铅钙钛矿材料的光学性质比较差，因而获得高荧光性能的单基质白光无铅钙钛矿材料是极具挑战的。cn108321300a公开了一种掺杂添加剂的钙钛矿薄膜，在所述钙钛矿薄膜内掺杂有添加剂，所述添加剂为金属离子m与卤素离子g形成的稳定剂，其化合物式为mg，其中，所述金属离子m包括稀土离子、锂离子、钠离子、钾离子、氢离子、钙离子、镁离子、钡离子、铝离子中的任意一种离子，或者包括一价铜离子、二价铜离子、一价银离子、二价铁离子、三价铁离子、二价锰离子、四价锰离子、六价锰离子、七价锰离子、锌离子、一价镍离子、二价镍离子、钴离子、钛离子、铬离子、铪离子、钽离子、锆离子、钼离子、铌离子中的任意一种离子，或者包括铵根离子、bf3离子、b 2
h6离子、砷离子、锑离子、缺电子π键离子中的任意一种离子，所述卤素离子g为碘、溴、氯中任意一种离子。上述公开的掺杂添加剂的钙钛矿薄膜是为了改善钙钛矿材料在太阳能电池应用中的老化问题，通过添加剂来抑制碘离子的移动，从而达到稳定钙钛矿薄膜材料本身的作用，并非针对紫外激发的单基质白色荧光粉的荧光性能的改善，光致发光量子效率并没有提高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有发光材料缺少紫外激发的单基质白色荧光粉，可选择的无铅钙钛矿材料的光学性质较差，提出一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法，通过锑掺杂提高了无铅锆基钙钛矿衍生物材料的光致发光效率，可作为单一基质暖白光荧光粉应用于白光照明领域。
5.本发明的目的是提供一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物。
6.本发明的再一目的在于提供一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物在照明显示、发光
器件领域中的应用。
7.本发明的再一目的在于保护一种白光照明led。
8.本发明上述目的通过以下技术方案实现：
9.一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，所述无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为1～20％。
10.其中需要说明的是：
11.铅基钙钛矿的结构为apbx3(a＝cs/ma等，x＝cl/br/i)，铅离子是材料的组成成分，采用锆离子取代铅离子，一个锆离子取代两个铅离子后形成基质a2zrx6(a＝cs/rb/k等，x＝cl/br/i)。铅基钙钛矿在外界环境条件下容易分解，导致发光降低，游离出铅离子，造成环境污染，本发明采用锆离子对铅离子的取代可有效解决铅基钙钛矿所存在的潜在毒性和环境不稳定性问题。
12.无铅锆基钙钛矿材料本身发光在蓝光区，掺杂锑后掺杂离子在紫外光照射下发白光，掺杂锑的量过高会造成发光强度减少，掺杂量超过20％会产生杂相，发光强度会降低。
13.无铅锆基钙钛矿材料的激发带处于250nm的近紫外区，不适用于商业uv紫外led，通过锑离子的掺杂，可以引入新的发光中心，锑离子在紫外光光激发下可以发出白光，并且激发带(300～400nm)适用于商业uv紫外led。
14.本发明制备的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料，锑离子掺杂形成[sbcl6]3‑
的八面体即新的激子俘获发光中心，使得材料光致发光效率增高，光致发光效率高达40.1％；光吸收范围广，可在300～400nm紫外灯激发下即可获得明亮的暖白光发射，锑离子的发光包含1p1→1s0和3p1→1s0两个发光带，荧光峰较宽，覆盖整个可见光区，可作为单一基质暖白光荧光粉。
[0015]
优选地，所述无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为5～15％。
[0016]
进一步优选地，所述无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为10～15％。
[0017]
更优选地，所述无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为10％。
[0018]
本发明还具体保护一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法，包括如下步骤：
[0019]
s1.将含碱金属化合物、含锆化合物、含锑化合物加入到水热釜中，然后加入的盐酸在80～220℃下水热反应6～72h，冷却至室温，纯化干燥后即可得到锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，
[0020]
其中，含碱金属化合物和含锆化合物的摩尔比为1.5～2.5:1；含锑化合物与含锆化合物的摩尔比为0.01～0.2:1。
[0021]
水热反应的温度过高会导致产物被一定程度热分解，从而导致样品发光强度降低，温度过低也会导致反应不完全，样品的发光强度同样也会降低。反应时间过长也会导致样品与溶剂反应时间过长，导致一定程度的样品破坏，从而样品的发光强度降低，反应时间过短会导致反应不完全，样品发光强度降低。
[0022]
更优选地，所述水热反应温度为140～220℃。
[0023]
其中需要说明的是：
[0024]
含碱金属化合物为cs/rb/k的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、硝酸盐或氯化物，优选为cs的氯化物；
[0025]
含sb的化合物为sb的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、硝酸盐或氯化物，优选为sb的氯化物；
[0026]
含zr的化合物为zr的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、硝酸盐或氯化物，优选为zr的氯化物。
[0027]
优选地，所述含铯化合物和含锆化合物的摩尔比为2:1；含锑化合物与含锆化合物的摩尔比为0.05～0.15:1。
[0028]
优选地，所述水热反应温度为180～220℃，水热反应时间12～36h。
[0029]
优选地，所述冷却为以10～30℃/1h的速度冷却至室温。冷却速度对反应物结晶性有影响，如果降温速度过快，会导致样品结晶性差，发光强度低，控制在10～30℃/1h使得降温速度适中，基本不影响样品的结晶性和发光性能。
[0030]
进一步优选地，所述水热反应温度为180℃，水热反应时间12h，所述冷却为以10℃/1h的速度冷却至室温。
[0031]
本发明采用简单的一步水热方法合成锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料的方法，制备效率高，成本低，可用于大规模生产。
[0032]
本发明制备的材料原材料容易获得，制备工艺简单，适合于工业化生产，且其具有宽激发带和宽发射光谱，较高的发光效率，因此本发明的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物在照明显示和发光器件领域也在本发明的保护范围之内。
[0033]
本发明还具体保护一种白光照明led，所述白光照明led采用所述的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物作为暖白光材料。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0035]
本发明提供了一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，通过在单基质无铅锆基钙钛矿中掺杂锑，使得材料的光致发光效率高达40.1％；光吸收范围广，可在300～400nm紫外灯激发下即可获得明亮的暖白光发射，荧光峰较宽，覆盖整个可见光区，可作为单一基质暖白光荧光粉。
[0036]
本发明采用锆离子对铅离子的取代可有效解决铅基钙钛矿所存在的潜在毒性和环境不稳定性问题。
[0037]
本发明采用简单的一步水热方法合成锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料的方法，制备效率高，成本低，可用于大规模生产，可广泛应用于照明显示、发光器件领域。
附图说明
[0038]
图1为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5制得的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料和对比例1制得的未掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的x射线衍射图谱。
[0039]
图2为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5制得的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料和对比例1制得的未掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的荧光光谱。
[0040]
图3为实例3的发光材料的发射光谱。
[0041]
图4为实例3的发光材料的激发光谱。
[0042]
图5为实例3制得的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料在315nm激发下测得的光致发光量子效率。
[0043]
图6为实施例3制得的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料的色坐标在色度图(cie)
中的位置。
具体实施方式
[0044]
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
[0045]
实施例1
[0046]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为1％。
[0047]
本实施例1％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0048]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.01mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0049]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)，将水热釜放入马弗炉中于180℃保温12小时，然后以10℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0050]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.01:1。
[0051]
实施例2
[0052]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为5％。
[0053]
本实施例5％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0054]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.05mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0055]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于180℃保温12小时，然后以10℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0056]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.05:1。
[0057]
实施例3
[0058]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为10％。
[0059]
本实施例10％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0060]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.1mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0061]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于180℃保温12小时，然后以10℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0062]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.1:1。
[0063]
实施例4
[0064]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为15％。
[0065]
本实施例15％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0066]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.15mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于180℃保温12小时，然后以10℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0067]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.15:1。
[0068]
实施例5
[0069]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为20％。
[0070]
本实施例20％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备。
[0071]
制备方法如下：
[0072]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.2mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于180℃保温12小时，然后以30℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0073]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.2:1。
[0074]
实施例6
[0075]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为10％。
[0076]
本实施例10％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0077]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.1mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0078]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于140℃保温24小时，然后以10℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0079]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.1:1。
[0080]
实施例7
[0081]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为10％。
[0082]
本实施例10％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0083]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.1mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0084]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于220℃保温36小时，然后以10℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜
中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0085]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.1:1。
[0086]
实施例8
[0087]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为1％。
[0088]
本实施例1％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0089]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.01mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0090]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于140℃保温6小时，然后以10℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0091]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.01:1。
[0092]
实施例9
[0093]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为20％。
[0094]
本实施例20％锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备方法如下：
[0095]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.2mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0096]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于140℃保温6小时，然后以8℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0097]
其中，氯化铯和氯化锆的摩尔比为2:1；三氯化锑与氯化锆的摩尔比为0.2:1。
[0098]
对比例1
[0099]
本实施例未掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的制备。
[0100]
制备方法如下：
[0101]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0102]
将称取的上述原料倒入10ml水热釜，随后加入3ml盐酸(36
‑
38％)。将水热釜放入马弗炉中于180℃保温12小时，然后以5℃/h的速度降至室温。待降至室温后，取出水热釜中的固体物并用乙醇冲洗3次。将冲洗干净的固体物质放入烘箱内于80℃烘烤8小时至完全干燥。
[0103]
对比例2
[0104]
一种锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物，无铅锆基钙钛矿中锑的掺杂质量百分含量为25％。
[0105]
分别称取2mmol氯化铯(cscl)、1mmol氯化锆(zrcl4)、0.25mmol三氯化锑(sbcl3)，以上原料纯度均在99.9％以上。
[0106]
本对比例2的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的其余制备方法同实施例3测试实验：
[0107]
1、图1为实例1
‑
5和对比例1的xrd图谱，实施例1
‑
5和对比例1样品即不同浓度锑掺杂和未掺杂的无铅锆基钙钛矿衍生物材料(icsd标准卡片26695)xrd衍射图谱具有良好的一致性。
[0108]
2、图2为实例1
‑
5和对比例1的发光材料的发射光谱，从图2可以看出，掺杂样品的发光覆盖整个可见光光谱，未掺杂的无铅锆基钙钛矿衍生物材料在315nm激发下具有极弱的发光。当锑掺杂量增加时，光致发光强度先增强后减弱。在10％锑掺杂时产生最强的光致发光强度。
[0109]
3、图3为实例3的发光材料的发射光谱，从图3可以看出，样品的发光覆盖400～800nm整个可见光光谱，表明该材料能满足单基质白光材料的要求。
[0110]
4、图4为实例3的发光材料的激发光谱，从图4可以看出，样品的激发光谱在300～400nm宽带吸收，表明该材料能满足近紫外照明芯片的激发要求。
[0111]
5、图5为实施例3制得的锑掺杂的无铅锆基钙钛矿衍生物在315nm激发下测得的光致发光量子效率(plqy)，plqy＝40.1％。
[0112]
6、图6为锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料的色坐标在色度图(cie)中的坐标值为(0.47，0.41)，显色指数92，色温2476k，说明该锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料的发光颜色适宜于应用在白光led领域。
[0113]
其中，各实施例和对比例的光致发光量子效率值如下表1所示：
[0114]
表1
[0115][0116][0117]
从上述表1的数据可以看出，本发明的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物能够显著提升其光致发光量子效率，最高可到40.1％，且光吸收范围广，可在300～400nm紫外灯激发下即可获得明亮的暖白光发射，荧光峰较宽，覆盖整个可见光区，可作为单一基质暖白光荧光
粉。
[0118]
从对比例1可以看出，没有锑掺杂的无铅锆基钙钛矿衍生物材料的光致发光量子效率极低，只有0.19％，远低于本发明的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物材料。
[0119]
从实施例6和7与实施例3的对比可以看出，当改变水热反应的温度和时间，制备得到的锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的光致发光量子效率也会出现相应的下降，这是因为水热反应的温度过高会导致产物被一定程度热分解，从而导致样品发光强度降低，温度过低也会导致反应不完全，样品的发光强度同样也会降低。反应时间过长也会导致样品与溶剂反应时间过长，导致一定程度的样品破坏，从而样品的发光强度降低，反应时间过短会导致反应不完全，样品发光强度降低。
[0120]
从实施例1和5，实施例2和4和实施例8和9与实施例3的对比可以看出，改变锑的掺杂量，同样会改变相关锑掺杂无铅锆基钙钛矿衍生物的光致发光量子效率，10％为最佳掺杂量。
[0121]
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。