快速合成掺杂Dy3+的BaY2O4纳米荧光体：兼具白光发射和光催化染料降解双重功能的材料

《Materials Science and Engineering: B》：Rapid synthesis of Dy3+-doped BaY?O? nanophosphors: Dual-functional material for white light emission and photocatalytic dye degradation

采用溶液燃烧法制备了Dy3?掺杂的BaY?O?纳米磷光体，结构为正交晶系，带隙4.14-4.58 eV，发射蓝黄光，光催化降解甲基绿效率达90.32%，pH中性时最佳，适用于LED和环境修复。

　　BaY?O?是一种具有广泛应用前景的氧化物材料，其独特的光学和物理特性使其在发光材料和光催化剂领域表现出巨大潜力。近年来，随着对高效节能光源和环境治理技术的不断追求，BaY?O?在这些领域的研究也日益受到关注。BaY?O?不仅具有良好的热稳定性和机械性能，还能够通过引入三价稀土离子（如Dy3?）实现更丰富的发光特性。这种材料在白光LED、环境修复以及光电集成系统中都可能发挥重要作用。本文旨在系统研究BaY?O?:Dy3?纳米磷光材料的合成方法及其结构、光学和光催化性能，探讨其在多个技术领域中的应用潜力。

在合成过程中，研究者采用了一种简单而高效的溶液燃烧法（Solution Combustion Synthesis, SCS）。这种方法利用金属硝酸盐作为氧化剂，同时以植物提取物作为燃料，通过剧烈的氧化还原反应快速生成纯相、结晶性的BaY?O?:Dy3?纳米材料。植物提取物中的天然还原剂和稳定剂（如多酚、黄酮类和萜类化合物）在反应过程中起到了关键作用，不仅有助于金属离子的还原，还能防止纳米颗粒的团聚，从而获得具有特定形貌和尺寸的材料。该合成方法的优势在于其操作简便、能耗较低，且能够在常温常压下完成，这为大规模生产和环境友好型制造提供了可能性。

通过粉末X射线衍射（PXRD）分析，研究者确认了所合成的BaY?O?:Dy3?纳米材料具有纯正的正交晶系结构（JCPDS No. 27-0044），表明其晶体结构高度有序且无杂相干扰。这一结果对于材料的光学性能和稳定性具有重要意义，因为晶体结构的完整性直接影响其发光效率和光催化活性。此外，XRD图谱还显示出清晰且强度较高的衍射峰，进一步验证了材料的高结晶度。这些特性使得BaY?O?成为一种理想的稀土掺杂基质材料，能够有效地承载和激活三价稀土离子。

为了进一步研究材料的光学特性，研究者通过漫反射光谱（Diffuse Reflectance Spectra, DRS）和Kubelka–Munk函数估算其光学带隙能量。结果表明，BaY?O?:Dy3?纳米材料的光学带隙能量范围为4.14–4.58 eV，这一数值表明其在可见光范围内具有较强的光吸收能力，同时也限制了其在紫外光区域的响应。高光学带隙能量通常意味着材料具有较高的能量转换效率，这使其在发光应用中表现出色。此外，研究者还通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了材料的分子振动特性，确认了其表面官能团的存在和化学键的稳定性。这些分析结果为理解材料的发光机制提供了重要的理论依据。

在形态学方面，研究者利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）对BaY?O?:Dy3?纳米材料进行了表征。FESEM图像显示，材料呈现出多孔、海绵状的微观结构，这种结构有助于提高材料的比表面积，从而增强其与污染物的相互作用能力。TEM图像则进一步确认了纳米材料的平均粒径约为40 nm，并且其晶面间距为0.24 nm，表明其具有良好的结晶度和均匀的尺寸分布。这些微观结构特征不仅影响材料的光学性能，还对其光催化活性具有重要影响。高比表面积和规则的晶体结构能够提供更多的活性位点，从而促进光生载流子的分离和迁移，提高光催化效率。

在光致发光（Photoluminescence, PL）研究中，研究者采用370 nm波长的紫外光作为激发光源，对BaY?O?:Dy3?纳米材料的发光性能进行了测试。结果显示，材料在492 nm（4F?/? → 6H??/?，蓝光）和573 nm（4F?/? → 6H??/?，黄光）处表现出显著的发射峰，这表明其具有良好的发光效率和色彩调控能力。值得注意的是，当Dy3?离子浓度达到7 mol%时，材料的发光强度达到最大值，而随着浓度的进一步增加，发光强度则开始下降。这种现象通常被归因于浓度猝灭效应，即当稀土离子浓度过高时，其之间的能量转移和非辐射跃迁会增强，从而导致发光效率降低。这一结果表明，Dy3?离子的最佳掺杂浓度对于实现最佳发光性能至关重要。

通过CIE色度坐标计算，研究者发现BaY?O?:Dy3?纳米材料的发光颜色接近白色，这一特性使其在固态照明和LED技术中具有重要应用潜力。计算得出的平均相关色温（Correlated Color Temperature, CCT）约为4328 K，这一数值符合冷白光LED应用所需的色温范围。冷白光LED在许多领域（如照明、显示和电子设备）都有广泛应用，因此BaY?O?:Dy3?纳米材料的这种发光特性为其在实际应用中提供了重要依据。

在光催化性能方面，研究者采用Malachite Green（MG）作为目标污染物，通过紫外光照射对其降解效率进行了评估。结果显示，7 mol% Dy3?掺杂的BaY?O?纳米材料表现出最高的降解效率，达到了约90.32%的染料去除率，这一结果被归因于材料中Dy3?离子对光生载流子的促进作用，以及其表面活性位点的增加。研究还发现，在较低的染料浓度下，降解效率更高，这表明材料在低浓度污染条件下具有良好的反应能力。此外，在中性pH条件下，材料的降解效率也最高，这表明其在实际应用中对环境条件具有一定的适应性。

这些结果表明，BaY?O?:Dy3?纳米材料不仅具有优异的发光性能，还表现出良好的光催化活性，使其成为一种多功能材料，具有在集成光电和环境应用中的巨大潜力。其作为发光材料的应用包括白光LED、显示设备和照明系统，而作为光催化剂的应用则涵盖水体污染治理和环境修复。这种材料的双重功能特性使其在未来的绿色技术和可持续发展领域具有重要价值。

此外，BaY?O?作为一种稳定的氧化物材料，其在高温和长期使用条件下的性能表现良好，这使其成为一种理想的基质材料。其较高的熔点和良好的热稳定性使其能够在多种工业和环境条件下保持结构和性能的完整性。同时，BaY?O?在掺杂三价稀土离子后，能够表现出更丰富的发光特性，如蓝光、黄光和白光，这为开发多功能发光材料提供了新的思路。这种材料的合成方法和性能表现也为其他类似材料的研究提供了参考。

综上所述，BaY?O?:Dy3?纳米材料在多个技术领域中展现出重要价值。其高效的发光性能和良好的光催化活性使其成为一种多功能材料，具有广泛的应用前景。未来的研究可以进一步优化其合成工艺，提高其发光效率和光催化性能，同时探索其在更多应用场景中的潜力。此外，还可以结合其他元素或材料，开发具有更优性能的复合型纳米材料，以满足不同技术需求。这些研究不仅有助于推动新型发光材料和光催化剂的发展，还为实现绿色、节能和环保技术提供了重要支持。