多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的制备方法与流程

本发明属于纳米复合材料技术领域，具体涉及一种具有多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的制备方法。

背景技术

多色发光材料在检测、传感、光电能源设备等领域显示出了非常诱人的应用价值。因此，具有优异光学性能发光材料的相关研究得到了国内外学者的高度关注。近年来，荧光碳点(简称cds)成为了人们的研究热点。相比传统半导体量子点材料和有机荧光染料，碳点具有诸多优势，如荧光稳定、吸收光谱范围宽、表面易官能化、制备原材料丰富、低毒和良好的生物相容性等。因此，碳点虽为一种新兴的发光材料，但是在检测、太阳能电池、光催化等领域已展现出重要的应用价值。然而，现报道的荧光碳点仍然多以蓝光发射为主。科研工作者正在积极研发发射光可延长到更长波长的碳点及碳点基复合材料。对于现已合成的多色发光碳点，其多色发光性质多数需要在不同激发波长下实现(adv.mater.2018,30,1704740)。在单一波长激发下实现多色发光仍存在很大挑战。

羟基磷灰石(ca10(po4)6(oh)2，简称ha或hap)，是一种为数不多的具有良好生物活性与相容性的无机矿物材料之一。随着人们对羟基磷灰石认识的不断提高，发现其优异的离子交换特性可使羟基磷灰石成为很好的荧光材料、金属离子的吸附材料等。鉴于羟基磷灰石和碳点各自的优势，将碳点与羟基磷灰石复合已受到关注，但是在现有报道的具有荧光性质的碳点/羟基磷灰石复合材料中，也均以蓝光发射为主(nanoscale,2017,9,2162；acsappl.mater.interfaces2018,10,19373)。稀土元素由于其特殊的电子结构，能发射多种波长的光。加之其离子半径与羟基磷灰石中的钙离子半径接近，目前以镧系稀土离子置换钙离子可以得到发射绿光、红光的羟基磷灰石粉体(nanoscale,2016,8,11580；acsappl.mater.interfaces2016,8,10212)。但是，稀土掺杂羟基磷灰石/碳点的复合材料还鲜有报道。

技术实现要素：

本发明针对当前碳点/羟基磷灰石复合体系中，均以蓝光发射为主，且诸多领域对多色发光材料的广泛需求，提供一种新型的、环境友好的、制备工艺简单且成本低的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的制备方法采用以下步骤：

(1)将铕、钆和钙的水溶液混合得到钙铕钆混合溶液，其中：铕与钆的摩尔量比为3.8-4.5、铕和钆的总摩尔量与钙、铕和钆的总摩尔量比为0.02-0.05；在搅拌的条件下，将磷的水溶液缓慢滴入到上述钙铕钆混合溶液中，其中：钙、铕和钆的总摩尔量与磷的摩尔量比为1.67；

(2)将浓度为0.3-0.5mol/l的柠檬酸钠水溶液加入步骤1得到的混合溶液中，柠檬酸钠的摩尔量与步骤1中钙、铕和钆总摩尔量的比为0.3-0.8；

(3)按二乙烯三胺与柠檬酸钠的摩尔量比为0.5-1.5，向步骤2得到的溶液中加入二乙烯三胺；

(4)将浓度为1-2mol/l的氢氧化钠溶液加入步骤3所得的溶液中，使其ph值为9.8-10.2；

(5)将步骤4所得复合溶液在室温下搅拌0.5-1.5小时，然后装入水热反应釜，加热到180-200℃，保温5-15小时；待反应釜冷却到室温，将上述复合溶液离心处理得到沉淀物，并用去离子水洗涤沉淀物，在60℃下真空干燥，最终得到多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点。

本发明的优点是：

(1)采用水热一步合成法得到了多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点复合材料，具有制备工艺简单、成本低、快速的特点；

(2)制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点，当用395nm激发时，分别在457nm、595nm和621nm出现了发射峰，具有多色发光性质；

(3)制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点可用于比率型荧光探针检测低浓度的fe³⁺。

附图说明

图1为采用本发明方法制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的透射电镜图(tem)；

图2为采用本发明方法制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的红外图谱(ftir)；

图3为采用本发明方法制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的紫外-可见光吸收图谱；

图4为采用本发明方法制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的x射线衍射图谱(xrd)(009-0432、003-0401分别为羟基磷灰石和石墨的标准卡片)；

图5为采用本发明方法制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的荧光光谱；

图6为采用本发明方法制备的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点对fe³⁺的荧光响应。

具体实施方式

以下结合附图介绍本发明详细技术方案：

多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的制备方法采用以下步骤：

(1)将铕、钆和钙的水溶液混合得到钙铕钆混合溶液，其中：铕与钆的摩尔量比为3.8-4.5、铕和钆的总摩尔量与钙、铕和钆的总摩尔量比为0.02-0.05；在搅拌的条件下，将磷的水溶液缓慢滴入到上述钙铕钆混合溶液中，其中：钙、铕和钆的总摩尔量与磷的摩尔量比为1.67；

(2)将浓度为0.3-0.5mol/l的柠檬酸钠水溶液加入步骤1得到的混合溶液中，柠檬酸钠的摩尔量与步骤1中钙、铕和钆总摩尔量的比为0.3-0.8；；

(3)按二乙烯三胺与柠檬酸钠的摩尔量比为0.5-1.5，向步骤2得到的溶液中加入二乙烯三胺；

(4)将浓度为1-2mol/l的氢氧化钠溶液加入步骤3所得的溶液中，使其ph值为9.8-10.2；

(5)将步骤4所得复合溶液在室温下搅拌0.5-1.5小时，然后装入水热反应釜，加热到180-200℃，保温5-15小时；待反应釜冷却到室温，将上述复合溶液离心处理得到沉淀物，并用去离子水洗涤沉淀物，在60℃下真空干燥，最终得到多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点。

实施例1

多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点的制备方法采用以下步骤：

(1)按钙、铕和钆的总摩尔量与磷的摩尔量比为1.67，在搅拌的条件下，将80ml浓度为0.15mol/l的(nh4)2hpo4水溶液缓慢滴入到133mlca(no3)2、eu(no3)3和gd(no3)3的总浓度为0.15mol/l的钙铕钆混合溶液中，其中：铕与钆的摩尔量比为4，铕和钆的总摩尔量与钙、铕和钆的总摩尔量比为0.03。

(2)将32ml浓度为0.5mol/l的柠檬酸钠水溶液加入步骤1得到的混合溶液中，柠檬酸钠的摩尔量与步骤1中钙、铕和钆总摩尔量的比为0.8。

(3)按二乙烯三胺与柠檬酸钠的摩尔量比为1.5，向步骤2得到的溶液中加入2.6ml二乙烯三胺。

(4)将浓度1mol/l的氢氧化钠溶液加入步骤3所得的溶液中，使其ph值为10。

(5)将步骤4所得复合溶液在室温下搅拌1小时，然后装入水热反应釜，加热到200℃，保温8小时；待反应釜冷却到室温，将上述复合溶液离心处理得到沉淀物，并用去离子水洗涤沉淀物3次，在60℃下真空干燥，最终得到样品1的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点。

对由上述方法得到的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点进行透射电镜、红外光谱和吸收光谱分析，图1-3的透射电镜图、红外光谱和紫外-可见光吸收光谱图说明，所得多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点确实为铕、钆共掺杂羟基磷灰石与碳点的复合结构。图4的x射线衍射图谱表明，铕、钆、柠檬酸钠、二乙烯三胺的引入，没有改变羟基磷灰石的晶体结构，所得铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点与标准羟基磷灰石的衍射峰相同，没有杂质；当用395nm激发时，所得铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点复合材料分别在457nm、595nm和621nm出现了发射峰(图5)。研究表明，fe³⁺可使eu、gd共掺杂羟基磷灰石/碳点的荧光猝灭，且荧光强度比值(i621/i457)随着fe³⁺浓度的增加先降低后升高，然后基本保持不变(图6)，即：eu、gd共掺杂羟基磷灰石/碳点可作为比率型探针检测用于灵敏检测低浓度的fe³⁺。

实施例2

(1)按钙、铕和钆的总摩尔量与磷的摩尔量比为1.67，在搅拌的条件下，将80ml浓度为0.15mol/l的(nh4)2hpo4水溶液缓慢滴入到133mlca(no3)2、eu(no3)3和gd(no3)3的总浓度为0.15mol/l的钙铕钆混合溶液中，其中：铕与钆的摩尔量比为4，铕和钆的总摩尔量与钙、铕和钆的总摩尔量比为0.03。

(2)将20ml浓度为0.5mol/l的柠檬酸钠水溶液加入步骤1得到的混合溶液中，柠檬酸钠的摩尔量与步骤1中钙、铕和钆总摩尔量的比为0.5。

(3)按二乙烯三胺与柠檬酸钠的摩尔量比为1，向步骤2得到的溶液中加入1.1ml二乙烯三胺。

(4)将浓度1mol/l的氢氧化钠溶液加入步骤3所得的溶液中，使其ph值为10。

(5)将步骤4所得复合溶液在室温下搅拌1小时，然后装入水热反应釜，加热到200℃，保温8小时；待反应釜冷却到室温，将上述复合溶液离心处理得到沉淀物，并用去离子水洗涤沉淀物3次，在60℃下真空干燥，最终得到样品2的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点。

如图5所示的荧光测试结果表明，所得eu、gd共掺杂羟基磷灰石/碳点用395nm激发时，在457nm、595nm和621nm出现了发射峰，具有多色发光性质。

实施例3

(1)按钙、铕和钆的总摩尔量与磷的摩尔量比为1.67，在搅拌的条件下，将80ml浓度为0.15mol/l的(nh4)2hpo4水溶液缓慢滴入到133mlca(no3)2、eu(no3)3和gd(no3)3的总浓度为0.15mol/l的钙铕钆混合溶液中，其中：铕与钆的摩尔量比为3.8，铕和钆的总摩尔量与钙、铕和钆的总摩尔量比为0.05。

(2)将32ml浓度为0.5mol/l的柠檬酸钠水溶液加入步骤1得到的混合溶液中，柠檬酸钠的摩尔量与步骤1中钙、铕和钆总摩尔量的比为0.8。

(3)按二乙烯三胺与柠檬酸钠的摩尔量比为1.5，向步骤2得到的溶液中加入2.6ml二乙烯三胺。

(4)将浓度1mol/l的氢氧化钠溶液加入步骤3所得的溶液中，使其ph值为10。

(5)将步骤4所得复合溶液在室温下搅拌1小时，然后装入水热反应釜，加热到180℃，保温10小时；待反应釜冷却到室温，将上述复合溶液离心处理得到沉淀物，并用去离子水洗涤沉淀物3次，在60℃下真空干燥，最终得到样品3的多色发光铕、钆共掺杂羟基磷灰石/碳点。

荧光测试结果表明(如图5所示)，所得eu、gd共掺杂羟基磷灰石/碳点用395nm激发时，在457nm、595nm和621nm出现了发射峰，具有多色发光性质。