一种具有上转换单红光发射和光催化双功能特性的稀土掺杂钒酸铋材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有上转换单红光发射和光催化双功能特性的稀土掺杂钒酸铋材料及其制备方法和应用。稀土掺杂钒酸铋材料BiVO4：Re

A Rare Earth Doped Bismuth Vanadate Material with Upconversion Single Red Emission and Photocatalytic Dual Function and Its Preparation and Application

The invention discloses a rare earth doped bismuth vanadate material with up-conversion single red light emission and photocatalytic bifunctional characteristics, and a preparation method and application thereof. Rare earth doped bismuth vanadate BiVO4:Re

【技术实现步骤摘要】
一种具有上转换单红光发射和光催化双功能特性的稀土掺杂钒酸铋材料及其制备方法和应用
本专利技术属于上转换材料和光催化材料
，具体涉及一种具有上转换单红光发射和光催化双功能特性的稀土掺杂钒酸铋材料及其制备方法和应用。
技术介绍
上转换发光是一种可将红外光转化为紫外-可见光的过程，近来备受关注。与常用的有机荧光材料和量子点相比，基于掺杂稀土离子的上转换发光材料由于其优越的性能(如高化学稳定性，长寿命，尖锐的发射带，优异的光稳定性，低毒性和弱背景自体荧光)。因此，掺杂有稀土离子的上转换发光材料用于各种应用。在提高显示器的色纯度生物成像和光动力学治疗中，需要上转换发光材料实现单色发射。特别是在生物医学方面，由于600nm以下的短波长光透入皮肤的深度小，长波长的光因为能深入皮肤，所以红色区域(600-700nm)和近红外光区域(700-1100nm)通常被认为是生物组织的“光学窗口”。因此，将激发峰和发射峰调整到“光学窗口”对于荧光标记的深层组织成像是必不可少的。实现单一的红光发射仍是需要努力的方向，制备具有强红色发射的上转换发光材料一直是一个具有挑战性的问题。光动力学治疗因为对人体伤害小已经发展成一项重要的癌症治疗手段，其中在组织中利用红光和红外光产生单线态氧进行治疗成为光动力学治疗重要的发展方向。所以对其进行深入系统的研究将具有非常重要的战略和现实意义。目前实现上转换单红光发射的方法有：(1)可以通过改变敏化剂和活化剂离子的相对量来调节发射峰的相对强度；(2)通过添加过渡金属离子；(3)在核/壳结构的基础上可以实现红光发射。但是，每一种方法制备复杂，并且都会减弱红光的发射，并且只有发红光这一种性能。随着当前环境污染问题的日益严重，已严重影响人们的身心健康，光催化剂可以利用太阳能产生电子空穴，与污染物的分子发生氧化还原反应，从而起到净化环境的作用。光催化剂处理污染的研究已成为催化科学研究的重点和热点。当前无法实现对太阳光的充分利用是光催化发展的主要瓶颈，光催化剂的响应范围已经拓展到可见光，而拓展光催化剂对太阳光的红外响应是努力发展的重点。采用合适的方法得到具有多功能的材料一直是人们关注的热点和努力追求发展的方向。钒酸铋(BiVO4)作为重要的半导体，因为具有光催化性能优异、化学稳定性好、安全无毒、低成本且能在可见光区表现出优异的光催化性能等优点，从而在生物杀菌和污水处理等诸多领域有重要应用。BiVO4中的离子Bi3+和稀土离子同为三价离子，离子半径相近。因此，理论上BiVO4可以作为很好的上转换稀土发光基质材料，同时保留其良好的半导体性能。而传统的多功能材料是将多种附有不同性能的材料复合在一起，制备方法复杂，并且材料非常不稳定。
技术实现思路
为克服现有技术方法的不足，拓展BiVO4的应用前景，本专利技术通过向BiVO4中掺入一定量的稀土离子，从而使其同时具有上转换单红光发射和红外光下光催化降解活性；同时而且由于制备工艺简单、绿色环保，使得其具有很好的大规模商业化制备和应用前景。本专利技术的目的之一在于提供一种稀土掺杂BiVO4双功能材料。本专利技术的目的之二在于提供上述双功能材料的制备方法。本专利技术的目的之三在于提供上述上述双功能材料的应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一个方面，提供了一种稀土掺杂BiVO4双功能材料，所述双功能材料BiVO4：Re3+以单斜相BiVO4为基质材料，向其中掺杂稀土离子，所述稀土离子Re3+为Yb3+和Tm3+的混合物。进一步的，所述稀土离子掺杂量为5～20％；更进一步的，所述Tm3+的掺杂量为0～1％(优选为0.3％)，所述Yb3+的掺杂量为4～20％(优选为15％)；本专利技术的第二个方面，提供上述双功能材料的制备方法，所述双功能材料采用溶胶-凝胶法结合高温煅烧制备而成。本专利技术的第三个方面，提供上述双功能材料的应用，所述应用包括但不限于生物标记、光动力学治疗和光催化降解有机污染物。更进一步的，所述有机污染物为亚甲基蓝。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术制备的稀土掺杂BiVO4双功能材料显示出了优异的单红光发射和红外下光催化降解活性。经实验研究发现，本专利技术的双功能材料可以在980nm激光的激发下发射出强烈的红光(620-720nm)，并且在红外光照下可以降解有机物(2h降解90％的亚甲基蓝)且在可见光下降解有机物速度要比纯的BiVO4速度快，使得本专利技术制备的双功能材料在生物标记、光动力学治疗以及光催化降解有机污染物等多领域显示出巨大的潜在应用之价值；(2)本专利技术稀土掺杂BiVO4双功能材料的制备合成方法条件简单、无污染、稳定性高，具有较好的商业化应用前景。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术实施例1-2所制得样品及各自对应标准卡片的X射线粉末衍射图谱；图2为本专利技术实施例2所制得样品的SEM(扫描电子显微镜)图谱；其中图2(a)样品中的Yb掺杂量为0；图2(b)样品中Yb掺杂量为5％；图2(c)样品中Yb掺杂量为15％；图2(d)样品中Yb掺杂量为25％；图3为本专利技术实施例1-2所制得样品的紫外-可见漫反射吸收光谱图；图4为本专利技术实施例1-2所制得样品的上转换光谱图和实际发光图；图5为本专利技术实施例1所制得掺杂不同量的Yb样品发光对比图；图6为本专利技术实施例1所制得样品和对照品分别在可见光(图6a,c)和红外光(图6b,d)下降解亚甲基蓝的对比图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本专利技术的一个具体实施方式中，提供一种稀土掺杂BiVO4双功能材料，所述双功能材料BiVO4：Re3+以单斜相BiVO4为基质材料，向其中掺杂稀土离子，所述稀土离子Re3+为Yb3+和Tm3+的混合物。本专利技术的又一具体实施方式中，所述稀土离子掺杂量为5～20％；本专利技术的又一具体实施方式中，所述Tm3+的掺杂量为0～1％(优选为0.3％)，所述Yb3+的掺杂量为5～20％(优选为15％)；本专利技术的又一具体实施方式中，提供上述双功能材料的制备方法，所述双功能材料采用溶胶-凝胶法结合高温煅烧制备而成；具体的，所述制备方法如下：S1.将硝酸铋、硝酸镱、硝酸铥和柠檬酸溶解在硝酸溶液中搅拌均匀得溶液A；偏钒酸铵和柠檬酸溶解在硝酸溶液中均匀搅拌得溶液B；将溶液A缓慢滴入溶液B中形成溶液C；S2.将步骤S1.中溶液C进行水浴加热干燥后得凝胶；S3.将步骤S2.制得的凝胶高温煅烧即得所述双功能材料。进一步的，所述步骤S1.中，硝酸铋、硝酸镱、硝酸铥和柠檬酸的摩尔比(0.947-0.747)：(0.5-2.5)：0.003：2；偏钒酸铵和柠檬酸的摩尔比为1：2；进一步的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土掺杂BiVO4双功能材料，其特征在于，所述双功能材料BiVO4：Re3+以单斜相BiVO4为基质材料，向其中掺杂稀土离子，所述稀土离子Re3+为Yb3+和Tm3+的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂BiVO4双功能材料，其特征在于，所述双功能材料BiVO4：Re3+以单斜相BiVO4为基质材料，向其中掺杂稀土离子，所述稀土离子Re3+为Yb3+和Tm3+的混合物。2.如权利要求1所述的一种双功能材料，其特征在于，所述稀土离子掺杂量为5～20％。3.如权利要求1所述的一种双功能材料，其特征在于，所述Tm3+的掺杂量为0～1％，所述Yb3+的掺杂量为4～20％。4.如权利要求3所述的一种双功能材料，其特征在于，所述Tm3+的掺杂量为0.3％，所述Yb3+的掺杂量为15％。5.权利要求1-4任一项所述双功能材料的制备方法，其特征在于，所述双功能材料采用溶胶-凝胶法结合高温煅烧制备而成。6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法如下：S1.将硝酸铋、硝酸镱、硝酸铥和柠檬酸溶解在硝酸溶液中搅拌均匀得溶液A；偏钒酸铵和柠檬酸溶解在硝酸溶液中均匀搅拌得溶液B；将溶液A缓慢滴入溶液B...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓阳，黄慧宁，黄柏标，王泽岩，王朋，秦晓燕，刘媛媛，张倩倩，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37