张洪杰院士&张勇教授:一种大规模合成上转换发光晶体的极简方法

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近日,中国科学院长春应用化学研究所张洪杰院士团队和新加坡国立大学张勇教授团队联合首次报道了一种大规模合成Cs2NaErCl6上转换发光(UCL)晶体的极简方法。该方法只需将金属氯化物混合溶于水中,然后干燥即可,作者将这种方法称作“溶解-干燥”法。值得强调的是,该合成方法具有可逆性,且晶体产率几乎可以达到100%,理论上可以无限放大合成,这些对未来的大规模生产非常有利。在如此温和条件下获得的Cs2NaErCl6晶体在808 nm或 980 nm激光的照射下均表现出明亮的UCL。基于Cs2NaErCl6 UCL发光晶体的可回收性特点,文章还展示了晶体作为近红外发光二极管可激发上转换器件中的发光介质的可回收应用。该工作不仅为大规模合成上转换发光晶体提供了一种新策略,还展示了材料的可回收性及其相关应用。




背景介绍:

上转换发光(UCL)材料以其反斯托克斯位移大、发射带窄、抗光漂白能力强、荧光寿命长、光稳定性好等优点被广泛研究。众所周知,发光离子的UCL性能在很大程度上受到基质材料的影响。相同的发光离子在不同的基质材料中可能表现出完全不同的发光现象(如发射强度和发光颜色)。通过在不同种类的基质材料中掺入发光离子是尝试获得优异发光性能的材料一种有效策略,可作为发光离子基质的材料非常多,但要获得理想的UCL基质材料并非易事。研究表明,开发具有大晶胞单元的基质材料可以保持供体-受体离子距离足够大,从而降低能量传递效率,并有效阻断能量传递引起的淬灭,从而获得优异的发光。鉴于此,“Cs2NaXCl6 (X = RE、Bi、In等)”型大晶胞单元基质材料显示出明显的优势。


当前,“Cs2NaXCl6 (X = RE、Bi、In等)”型发光材料的合成方法主要是水热/溶剂热法。尽管取得了一些成就,但合成这类UCL材料通常要在高温、高压和封闭的反应体系下进行,且高温几乎不可避免,一般需要较长反应时间,操作繁琐,危险系数高,这使得该反应几乎不可能实现大规模生产。此外,目前报道的这些UCL材料的合成方法几乎都是单向的、不可逆的,而UCL材料的可逆合成鲜有报道。因此,开发一种简单、可大规模、可逆合成具有明亮发光特性的UCL材料具有非常重要意义,但同时也面临着巨大的挑战。



本文亮点:

基于以上研究背景,中国科学院长春应用化学研究所张洪杰院士团队和新加坡国立大学张勇教授团队合作,首次通过极简法成功合成了Cs2NaErCl6 UCL晶体。该方法非常简单、易操作,只需将金属氯化物混合,溶于水中,然后干燥即可,该合成方法可称为“溶解-干燥”法。整个合成过程在开放系统中进行,无需高温、高压或使用任何有毒溶剂。Cs2NaErCl6 UCL晶体的产率几乎达到100%且理论上合成可以无限放大,这对未来的大规模生产非常有利。此外,该方法具有可逆性,“溶解-干燥”过程理论上可以重复无限次。在如此温和的条件下获得的Cs2NaErCl6晶体在808 nm或 980 nm激光的照射下均表现出明亮的UCL。基于Cs2NaErCl6晶体优异的可回收性特点,作者在文中还展示了其作为发光介质在近红外发光二极管可激发上转换器件中的可回收应用。


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图1. Cs2NaErCl6 UCL晶体的合成过程及晶胞结构示意图。


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图2. Cs2NaErCl6 UCL晶体的结构表征。(a) XRD图谱。(b) EDS谱。(c) 晶体的照片。(d) 大量合成晶体的代表性照片。(e) 晶体可逆合成示意图。(f) 不同有机溶剂浸泡晶体3个月前后照片。


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图3. Cs2NaErCl6晶体的发光性能及机理分析。


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图4. Cs2NaErCl6晶体在不同衬底上的可回收性示意图。


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图5. Cs2NaErCl6晶体作为发光介质在近红外发光二极管可激发上转换器件中的可回收应用展示。




总结与展望:

综上所述,本文提出了一种极简的“溶解-干燥”法合成了Cs2NaErCl6 UCL晶体。晶体的合成产率几乎达到100%且理论上合成可以无限放大,这对未来的大规模生产非常有利。此外,Cs2NaErCl6 UCL晶体合成方法是可逆的,且这个可逆过程理论上可以重复无限次。Cs2NaErCl6晶体在808 nm或980 nm激光的照射下均表现出明亮的UCL。基于Cs2NaErCl6晶体优异的可回收性特点,本文展示了其作为发光介质在近红外发光二极管可激发上转换器件中的可回收应用。这项工作提出了一种大规模、可逆合成具有明亮 UCL 的晶体的极简方法,无疑为 UCL材料的合成提供了一种新策略,并为未来的大规模生产和可回收应用奠定了坚实的基础。


该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry,第一作者为雷朋朋博士,通讯作者为张洪杰院士和张勇教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、吉林省自然科学基金、吉林省科协青年科技人才托举工程项目的大力支持。


文章详情:

Large-Scale and Reversible Synthesis of Bright Upconversion Crystals with Almost 100% Yield by a Minimalist Method for Recyclable Application

Pengpeng Lei, Yuan Liang, Pengye Du, Yong Zhang*, and Hongjie Zhang*

Cite this by DOI:

10.31635/ccschem.023.202303159

文章链接:

https://doi.org/10.31635/ccschem.023.202303159

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