一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料及其制备与应用的制作方法

本发明属于荧光材料技术领域，涉及一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料及其制备与应用。

背景技术：

自然界中存在的以及人工合成的绝大部分无机延伸拓扑材料，诸如沸石分子筛、金属氧化物及金属磷酸盐等，均呈现阴离子型或中性的主体骨架结构。主要原因是这些多孔纯无机骨架由带正电荷的金属中心和带负电荷的桥连配体(通常是氧原子)组成，两者配位的正常比例和所带电荷数决定了其延伸主体骨架只能呈现为中性或阴离子型，同时中性客体分子或带正电荷的客体离子则以非共价键形式介于孔径内。与多孔阴离子型无机骨架相比，阳离子型无机晶格骨架存在配位不饱和的金属中心，通过改变层间与金属中心结合的基团，可以对晶格畸变进行调节，有望在光电领域表现出优异的性能。然而，相比于多孔阴离子型无机骨架结构，阳离子型无机晶格骨架的设计制备难度较大，具有局限性及挑战性。

在当今全球能源需求递增的情况下，人工照明占据了全球大约20％的用电消耗。其中，固态照明能有效解决传统光源(白炽灯和荧光灯)光效低的问题。目前，基于发光二极管(light-emittingdiodes，简称为leds)的固态白光照明有三种组装方式。第一，由三个或三个以上不同颜色(通常为三原色)的led光源混合形成白光。这种照明方案存在众多问题，例如，各个单色光源的混合会导致能量损失，对led量子转化效率要求极高，各原色led有不同的驱动电压、寿命和温度特性。第二，蓝光led激发黄色荧光体形成白光，这种方法仍然存在低显色指数、需求大量稀土材料及光圈效应等主要问题。第三，紫外led光源激发三种(或三种以上)不同颜色的荧光体达到白光的效果。由于紫外光源在非可见光区域的特性，这类紫外激发组装的led能解决蓝光led显色指数和色温稳定性较低的问题。然而，各种荧光体的混合会导致发光自吸收，降低转化效率，而且各荧光体组分的稳定性不同使发光颜色会随着照射时间的加长而发生变化。针对综合性能相对较优的第三种白光led组装方式，解决发光问题的关键是研制出具有白光发射性质的单组分荧光体。

目前，具有固有宽带白光发射性质的单组分荧光体往往需要掺杂稀土金属，才能够响应紫外led光。少量存在110晶面的二维钙钛矿表现出固有的宽带白光发射性质，机理研究表明，这种宽带发射来源于材料晶格畸变所产生的自陷激子，但由于钙钛矿存在对水分、空气和加热不稳定的问题，使其应用受到较大限制。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可用于固态白光照明的高稳定性二维阳离子型卤化铅材料及其制备与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbx⁺]n(h2o)m[^-o2c(ch2)4co2^-]0.5n，其中，x为f、cl或br，n为正整数，m为自然数。

当x为f时，所述的材料的晶体结构为四方晶系；当x为cl或br时，所述的材料的晶体结构为单斜晶系。

当x为f时，所述的材料的空间群为i4/m；当x为cl时，所述的材料的空间群为p2(1)/n；当x为br时，所述的材料的空间群为c2/c。

当x为f时，所述的材料的性状为无色晶体、白色晶体或白色粉末；当x为cl时，所述的材料的性状为无色晶体、淡黄色晶体或白色晶体；当x为br时，所述的材料的性状为无色晶体、白色晶体或白色粉末。

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

1)分别将卤化铅、己二酸二钠加入至水中，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，混合均匀后进行水热反应；

3)反应结束后，依次经冷却、过滤、洗涤、干燥，即得到所述的高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

步骤1)中，所述的卤化铅为氟化铅、氯化铅或溴化铅。通过采用不同的卤化铅，以制备出不同卤化铅骨架的阳离子型二维材料。

步骤2)中，所述的水热反应过程中：反应温度为140-200℃，反应时间为40-100小时。

混合方法为：搅拌或超声振荡5-30分钟。

步骤2)中，所述的水热反应在密闭反应容器中进行，并且所述的密闭反应容器的容积为步骤1)中所述的水的体积的1.2-2倍。将密闭反应容器的容积控制为水体积的1.2-2倍，既能够保证实验安全，同时又能够保证产物的产量。

步骤3)中，冷却至室温后，析出晶体或粉末。采用过滤的方式得到晶体或粉末。

步骤3)中，采用溶剂进行洗涤，所述的溶剂包括水或乙醇中的一种或两种。洗涤所用的溶剂应能溶解反应原料但不破坏晶体本身，包括但不限于水、乙醇等。

步骤1)中，所述的卤化铅与己二酸二钠的摩尔比为1:1-2.5，并且每1mmol卤化铅加入8-20ml水；步骤2)中，所述的高氯酸的用量为：每一个当量的卤化铅对应2-5个当量的高氯酸。

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料的应用，该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

本发明材料由阳离子型的二维卤化铅无机层和层间平衡电荷的己二酸根二价阴离子组成。在制备过程中，高氯酸作为ph调节剂和结构稳定剂，己二酸二钠作为阴离子结构导向剂。金属中心pb的配位不饱和及惰性电子对效应使得材料呈现出阳离子型的无机骨架，波纹状二维卤化铅层的形成是由于金属中心pb与层间阴离子的羧酸根的配位作用。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)以羧酸配体为阴离子结构导向剂模板，合成波纹状二维阳离子型卤化铅杂化材料，利用羧酸配体与金属的共价化学键解决了传统钙钛矿稳定性差的问题，相比于传统钙钛矿材料，本发明材料的结构稳定性高，能够在乙醇等有机溶剂及热水中保持较长时间稳定，可在ph范围3-12的水溶液中保持外观及结构完整无损，且对高温环境耐受度较高，在空气中可以在200℃以上的高温中灼烧较长时间仍保持稳定；

2)材料拥有高度畸变的二维卤化铅无机层，拥有大量自陷激子，具有覆盖可见光范围的固有基体白光发射性质，在白光led领域拥有极大的应用潜力，其中，当x为f时，材料拥有最宽的半峰宽，当x为cl时，材料拥有最高的荧光量子产率；

3)克服了目前紫外光led激发三组分三原色荧光体的白光led组装方式存在的发光自吸收和发光颜色不稳定的缺点，实现了可见光波长范围的宽带白光发射，在单组分荧光体、白光led领域具有广泛的应用价值，且制备过程温和，易于操作，反应在水中进行，是一种绿色制备技术。

附图说明

图1为实施例1中制备得到的[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的晶体结构示意图；

图2为实施例1中制备得到的[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5经不同条件处理后的x射线粉末衍射图；

图3为实施例1中制备得到的[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的荧光发射光谱图；

图4为实施例2中制备得到的[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的晶体结构示意图；

图5为实施例2中制备得到的[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5经不同条件处理后的x射线粉末衍射图；

图6为实施例2中制备得到的[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的荧光发射光谱图；

图7为实施例3中制备得到的[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5的晶体结构示意图；

图8为实施例3中制备得到的[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5经不同条件处理后的x射线粉末衍射图；

图9为实施例3中制备得到的[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5的荧光发射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

材料[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的制备及性能考察：

材料[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的制备：

称取0.272gpbf2、0.528g己二酸二钠，将其溶于8ml水中，量取230ml高氯酸加入上述溶液，将所得悬浮液搅拌30分钟使其混合均匀，将均匀的悬浊液转移至容积为12ml的高压反应釜中并密封完好，置于恒温150℃的烘箱中反应48小时；反应结束后，取出并打开高压反应釜，将所得固体静态转移至烧杯，依次用20ml水和20ml乙醇洗涤后晾干，得到材料[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5。

本实施例所得材料的性状为白色晶体。经x射线单晶衍射表征确认，材料的框架连接结构如图1所示，可以看出，该材料拥有高度畸变的二维氟化铅无机层。

材料[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的稳定性考察：

称取本实施例制得的样品0.1g若干份，分别浸泡于ph＝3的盐酸、ph＝12的氢氧化钠水溶液、沸水中，或在空气中以250℃煅烧；24小时后将材料过滤取出，用乙醇清洗干净并晾干。用x射线粉末衍射(pxrd)表征样品的结晶性并将其与未经处理的样品的pxrd图像比较以考察样品的稳定性，对比图如图2所示，可以看出，制得的材料具有较高的酸碱稳定性及高温稳定性。

材料[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的发光性质考察：

称取一定量的样品若干份，分别使用shimadzuuv-2600紫外-可见漫反射仪测量样品的紫外-可见吸收光谱，使用edinburghfls980稳态/瞬态荧光光谱仪测定其荧光激发图谱、荧光发射光谱、荧光衰减曲线、荧光量子产率，其中，荧光发射光谱如图3所示，可以看出，该材料具有良好的荧光发射性能。

实施例2：

材料[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的制备及性能考察：

材料[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的制备：

称取0.417gpbcl2、0.570g己二酸二钠，将其溶于8ml水中，量取430ml高氯酸加入上述溶液，将所得悬浮液搅拌30分钟使其混合均匀，将均匀的悬浊液转移至容积为15ml的高压反应釜中并密封完好，置于恒温175℃的烘箱中反应48小时；反应结束后，取出并打开高压反应釜，将所得固体静态转移至烧杯，依次用20ml水和20ml乙醇洗涤后晾干，得到材料[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5。

本实施例所得材料的性状为白色晶体。经x射线单晶衍射表征确认，材料的框架连接结构如图4所示，可以看出，该材料拥有高度畸变的二维氯化铅无机层。

材料[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的稳定性考察：

称取本实施例制得的样品0.1g若干份，分别浸泡于ph＝3的盐酸、ph＝12的氢氧化钠水溶液、沸水中，或在空气中以200℃煅烧；24小时后将材料过滤取出，用乙醇清洗干净并晾干。用x射线粉末衍射(pxrd)表征样品的结晶性并将其与未经处理的样品的pxrd图像比较以考察样品的稳定性，对比图如图5所示，可以看出，制得的材料具有较高的酸碱稳定性及高温稳定性。

材料[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的发光性质考察：

称取一定量的样品若干份，分别使用shimadzuuv-2600紫外-可见漫反射仪测量样品的紫外-可见吸收光谱，使用edinburghfls980稳态/瞬态荧光光谱仪测定其荧光激发图谱、荧光发射光谱、荧光衰减曲线、荧光量子产率，其中，荧光发射光谱如图6所示，可以看出，该材料具有良好的荧光发射性能。

实施例3：

材料[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5的制备及性能考察：

材料[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5的制备：

称取0.551gpbbr2、0.570g己二酸二钠，将其溶于8ml水中，量取430ml高氯酸加入上述溶液，将所得悬浮液搅拌30分钟使其混合均匀，将均匀的悬浊液转移至容积为20ml的高压反应釜中并密封完好，置于恒温175℃的烘箱中反应48小时；反应结束后，取出并打开高压反应釜，将所得固体静态转移至烧杯，依次用20ml水和20ml乙醇洗涤后晾干，得到所述材料。

本实施例所得材料的性状为白色晶体。经x射线单晶衍射表征确认，材料的框架连接结构如图7所示，可以看出，该材料拥有高度畸变的二维溴化铅无机层。

材料[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5的稳定性考察：

称取本实施例制得的样品0.1g若干份，分别浸泡于ph＝3的盐酸、ph＝12的氢氧化钠水溶液、沸水中，或在空气中以200℃煅烧；24小时后将材料过滤取出，用乙醇清洗干净并晾干。用x射线粉末衍射(pxrd)表征样品的结晶性并将其与未经处理的样品的pxrd图像比较以考察样品的稳定性，对比图如图8所示，可以看出，制得的材料具有较高的酸碱稳定性及高温稳定性。

材料[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5的发光性质考察：

称取一定量的样品若干份，分别使用shimadzuuv-2600紫外-可见漫反射仪测量样品的紫外-可见吸收光谱，使用edinburghfls980稳态/瞬态荧光光谱仪测定其荧光激发图谱、荧光发射光谱、荧光衰减曲线、荧光量子产率，其中，荧光发射光谱如图9所示，可以看出，该材料具有良好的荧光发射性能。

实施例4：

材料[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5的合成：

本实施例阳离子型氟化铅材料的化学式为[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5，材料的性状为白色粉末。

本实施例高稳定性二维阳离子型氟化铅材料的制备方法，具体包括以下步骤：

1)将氟化铅和己二酸二钠加入水中，充分混合，得到均匀的悬浊液；

2)将高氯酸加入步骤1)得到的悬浊液中，充分混合；

3)将步骤2)所得的均匀悬浊液转移至密闭反应容器中，进行水热反应；

4)待水热反应结束后，将体系冷却至室温，析出晶体或粉末；

5)将步骤4)所得的晶体或粉末取出，用溶剂洗涤至纯净，经干燥即制得高稳定性二维阳离子型氟化铅材料。

步骤1)中，氟化铅与己二酸二钠的摩尔比为1:1.5。

步骤1)中，水的用量为：每1mmol氟化铅添加8ml水。

步骤2)中，高氯酸的用量为：每一个当量的氟化铅对应2个当量的高氯酸。

步骤3)中，水热反应的条件为：反应温度140℃，反应时间为100小时。

步骤3)中，密闭反应容器的容积为步骤1)中所用水的体积的1.2倍。

本实施例高稳定性阳离子型二维氟化铅材料可用于白光led领域的单组分白色荧光体。

实施例5：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5，材料的晶体结构为四方晶系，材料的空间群为i4/m。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将氟化铅、己二酸二钠按摩尔比1:1加入至水中，使每1mmol氟化铅加入20ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的氟化铅对应2个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在200℃下进行水热反应40小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的2倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用乙醇洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例6：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5，材料的晶体结构为四方晶系，材料的空间群为i4/m。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将氟化铅、己二酸二钠按摩尔比1:2.5加入至水中，使每1mmol氟化铅加入8ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的氟化铅对应5个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在140℃下进行水热反应100小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的1.2倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用水洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例7：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbf⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5，材料的晶体结构为四方晶系，材料的空间群为i4/m。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将氟化铅、己二酸二钠按摩尔比1:1.8加入至水中，使每1mmol氟化铅加入14ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的氟化铅对应3个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在170℃下进行水热反应70小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的1.6倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用水和乙醇洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例8：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5，材料的晶体结构为单斜晶系，材料的空间群为p2(1)/n。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将氯化铅、己二酸二钠按摩尔比1:1加入至水中，使每1mmol氯化铅加入20ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的氯化铅对应2个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在200℃下进行水热反应40小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的2倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用水洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例9：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5，材料的晶体结构为单斜晶系，材料的空间群为p2(1)/n。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将氯化铅、己二酸二钠按摩尔比1:2.5加入至水中，使每1mmol氯化铅加入8ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的氯化铅对应5个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在140℃下进行水热反应100小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的1.2倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用乙醇洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例10：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbcl⁺][^-o2c(ch2)4co2^-]0.5，材料的晶体结构为单斜晶系，材料的空间群为p2(1)/n。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将氯化铅、己二酸二钠按摩尔比1:1.6加入至水中，使每1mmol氯化铅加入15ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的氯化铅对应4个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在160℃下进行水热反应60小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的1.5倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用水和乙醇洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例11：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5，材料的晶体结构为单斜晶系，材料的空间群为c2/c。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将溴化铅、己二酸二钠按摩尔比1:1加入至水中，使每1mmol溴化铅加入20ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的溴化铅对应2个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在200℃下进行水热反应40小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的2倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用水洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例12：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5，材料的晶体结构为单斜晶系，材料的空间群为c2/c。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将溴化铅、己二酸二钠按摩尔比1:2.5加入至水中，使每1mmol溴化铅加入8ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的溴化铅对应5个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在140℃下进行水热反应100小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的1.2倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用乙醇洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

实施例13：

一种高稳定性二维阳离子型卤化铅材料，该材料的化学分子式为[pbbr⁺]3(h2o)[^-o2c(ch2)4co2^-]1.5，材料的晶体结构为单斜晶系，材料的空间群为c2/c。

该材料的制备方法具体包括以下步骤：

1)分别将溴化铅、己二酸二钠按摩尔比1:2加入至水中，使每1mmol溴化铅加入17ml水，混合均匀后得到悬浊液；

2)将高氯酸加入至悬浊液中，使每一个当量的溴化铅对应4个当量的高氯酸，混合均匀后，移至密闭反应容器中，在180℃下进行水热反应70小时，其中，密闭反应容器的容积为步骤1)中水的体积的1.8倍；

3)反应结束后，经冷却、过滤，得到固体，用水和乙醇洗涤固体，之后干燥，即得到高稳定性二维阳离子型卤化铅材料。

该材料作为单组分荧光体，用于白光led领域中。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。