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Ultrasound (20 kHz, 29 W. cm(-2)) is employed to form three types of erbium oxide nanoparticles in the presence of multiwalled carbon nanotubes as a template material in water. The nanoparticles are (i) erbium carboxioxide nanoparticles deposited on the external walls of multiwalled carbon nanotubes and Er(2)O(3) in the bulk with (ii) hexagonal and (iii) spherical geometries. Each type of ultrasonically formed nanoparticle reveals Er(3+) photoluminescence from crystal lattice. The main advantage of the erbium carboxioxide nanoparticles on the carbon nanotubes is the electromagnetic emission in the visible region, which is new and not examined up to the present date. On the other hand, the photoluminescence of hexagonal erbium oxide nanoparticles is long-lived (mu s) and enables the higher energy transition ((4)S(3/2)-(4)I(15/2)), which is not observed for spherical nanoparticles. Our work is unique because it combines for the first time spectroscopy of Er(3+) electronic transitions in the host crystal lattices of nanoparticles with the geometry established by ultrasound in aqueous solution of carbon nanotubes employed as a template material. The work can be of great interest for "green" chemistry synthesis of photoluminescent nanoparticles in water.
Poröse Sol-Gel-Materialien finden in vielen Bereichen Anwendung bzw. sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Zu diesen Bereichen zählen sowohl klassische Anwendungen, wie z. B. die Verwendung als Katalysator, Molekularsieb oder Trockenmittel, als auch nichtklassische Anwendungen, wie z. B. der Einsatz als Kontrastmittel in der Magnet-Resonanz-Tomographie oder in Form von dünnen Zeolithfilmen als Isolatoren in Mikrochips. Auch für den Einsatz in der Photonik werden poröse Materialien in Betracht gezogen, wie die Entwicklung des Zeolith-Farbstoff-Lasers zeigt. Mikroporöse Zeolithe können generell über einfache Ionenaustauschreaktionen mit Lanthanoidionen in lumineszente Materialien umgewandelt werden. Neben der Erzeugung eines lumineszenten Materials, dessen Lumineszenzeigenschaften charakterisiert werden müssen, bietet die Nutzung von Lanthanoidionen die Möglichkeit diese Ionen als Sonde zur Charakterisierung der Ion-Wirt-Wechselwirkungen zu funktionalisieren, was z. B. in Bezug auf die Anwendung als Katalysator von großer Bedeutung ist. Dabei werden die einzigartigen Lumineszenzeigenschaften der Lanthanoidionen, in diesem Fall von Europium(III) und Terbium(III), genutzt. In dieser Arbeit wurden Lanthanoid-dotierte mikroporöse Zeolithe, mikroporös-mesoporöse Hybridmaterialien und mesoporöse Silikate hinsichtlich ihrer Lumineszenzeigenschaften und ihrer Wechselwirkung des Wirtsmaterials mit den Lanthanoidionen mittels zeitaufgelöster Lumineszenzspektroskopie untersucht. Zeitaufgelöste Emissionsspektren (TRES) liefern dabei sowohl Informationen in der Wellenlängen- als auch in der Zeitdomäne. Erstmalig wurden die TRES mittels einer umfangreichen Auswertemethodik behandelt. Neben der Anpassung des Abklingverhaltens mit einer diskreten Zahl von Exponentialfunktionen, wurden unterstützend auch Abklingzeitverteilungsanalysen durchgeführt. Zeitaufgelöste flächennormierte Emissionsspektren (TRANES), eine Erweiterung der normalen TRES, konnten erstmals zur Bestimmung der Zahl der emittierenden Lanthanoidspezies in porösen Materialien genutzt werden. Durch die Berechnung der Decayassoziierten Spektren (DAS) konnten den Lanthanoidspezies die entsprechenden Lumineszenzspektren zugeordnet werden. Zusätzlich konnte, speziell im Fall der Europium-Lumineszenz, durch Kombination von zeitlicher und spektraler Information das zeitabhängige Asymmetrieverhältnis R und die spektrale Evolution des 5D0-7F0-Übergangs mit der Zeit t untersucht und somit wesentliche Informationen über die Verteilung der Europiumionen im Wirtsmaterial erhalten werden. Über die Abklingzeit und das Asymmetrieverhältnis R konnten Rückschlüsse auf die Zahl der OH-Oszillatoren in der ersten Koordinationssphäre und die Symmetrie der Koordinationsumgebung gezogen werden. Für die mikroporösen und mikroporös-mesoporösen Materialien wurden verschiedene Lanthanoidspezies, im Regelfall zwei, gefunden, welche entsprechend der beschriebenen Methoden charakterisiert wurden. Diese Lanthanoidspezies konnten Positionen in den Materialien zugeordnet werden, die sich im tief Inneren des Porensystems oder auf bzw. nahe der äußeren Oberfläche oder in den Mesoporen befinden. Erstere Spezies ist aufgrund ihrer Position im Material gut vor Feuchtigkeitseinflüssen geschützt, was sich deutlich in entsprechend langen Lumineszenzabklingzeiten äußert. Zusätzlich ist diese Europiumspezies durch unsymmetrische Koordinationsumgebung charakterisiert, was auf einen signifikanten Anteil an Koordination der Lanthanoidionen durch die Sauerstoffatome im Wirtsgitter zurückzuführen ist. Ionen, die sich nahe oder auf der äußeren Oberfläche befinden, sind dagegen für Feuchtigkeit zugänglicher, was in kürzeren Lumineszenzabklingzeiten und einer symmetrischeren Koordinationsumgebung resultiert. Der Anteil von Wassermolekülen in der ersten Koordinationssphäre ist hier deutlich größer, als bei den Ionen, die sich tiefer im Porensystem befinden und entspricht in vielen Fällen der Koordinationszahl eines vollständig hydratisierten Lanthanoidions. Auch der Einfluss von Oberflächenmodifikationen auf die Speziesverteilung und das Verhalten der Materialien gegenüber Feuchtigkeit wurde untersucht. Dabei gelang es den Einfluss der Feuchtigkeit auf die Lumineszenzeigenschaften und die Speziesverteilung durch die Oberflächenmodifikation zu verringern und die Lumineszenzeigenschaften teilweise zu konservieren. Im Fall der mesoporösen Silikamonolithe wurde auch eine heterogene Verteilung der Lanthanoidionen im Porensystem gefunden. Hier wechselwirkt ein Teil der Ionen mit der Porenwand, während sich die restlichen Ionen in der wäßrigen Phase innerhalb des Porensystems aufhalten. Das Aufbringen von Oberflächenmodifikationen führte zu einer Wechselwirkung der Ionen mit diesen Oberflächenmodifikationen, was sich in Abhängigkeit von der Oberflächenbeladung in den enstprechenden Lumineszenzeigenschaften niederschlug.
The formation of secondary Ln(III) solid phases (e.g., Nd-2(CO3)(3) and Sm-2(CO3)(3)) was studied as a function of the humic acid concentration in 0.1 mol/L NaClO4 aqueous solution in the neutral pH range (5-6.5). The solid phases under investigation were prepared by alkaline precipitation under 100% CO2 atmosphere and characterized by attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), X-ray diffraction (XRD), time-resolved laser fluorescence spectroscopy (TRLFS), diffuse reflectance ultraviolet-visible (DR-UV-Vis), Raman spectroscopy, and solubility measurements. The spectroscopic data obtained indicated that Nd-2(CO3)(3) and Sm-2(CO3)(3) were stable and remained the solubility limiting solid phases even in the presence of increased humic acid concentration (0.5 g/L) in solution. Upon base addition in the Ln(III)-HA system, decomplexation of the previously formed Ln(III)-humate complexes and precipitation of two distinct phases occurred, the inorganic (Ln(2)(CO3)(3)) and the organic phase (HA), which was adsorbed on the particle surface of the former. Nevertheless, humic acid affected the particle size of the solid phases. Increasing humic acid concentration resulted in decreasing crystallite size of the Nd-2(CO3)(3) and increasing crystallite size of the Sm-2(CO3)(3) solid phase, and affected inversely the solubility of the solid phases. However, this impact on the solid phase properties was expected to be of minor relevance regarding the chemical behavior and migration of trivalent lanthanides and actinides in the geosphere.
The formation of secondary Ln(III) solid phases (e.g. Nd(OH)CO3 and Sm(OH)CO3) has been studied as a function of the humic acid (HA) concentration in 0.1 M NaClO4 aqueous solution and their solubility has been investigated in the neutral pH range (6.5-8) under normal atmospheric conditions. Nd(III) and Sm(III) were selected as analogues for trivalent lanthanide and actinide ions. The solid phases under investigation have been prepared by alkaline precipitation and characterized by TGA, ATR-FTIR, XRD, TRLFS, DR-UV-Vis and Raman spectroscopy, and solubility measurements. The spectroscopic data obtained indicate that Nd(OH)CO3 and Sm(OH)CO3 are stable and remain the solubility limiting solid phases even in the presence of increased HA concentration (0.5 g/L) in solution. Upon base addition in the Ln(III)-HA system decomplexation of the previously formed Ln(III)-humate complexes and precipitation of two distinct phases occurs, the inorganic (Ln(OH)CO3) and the organic phase (HA), which is adsorbed on the particle surface of the former. Nevertheless, HA affects the particle size of the solid phases. Increasing HA concentration results in decreasing crystallite size of the Nd(OH)CO3 and increasing crystallite size of the Sm(OH)CO3 solid phase, and affects inversely the solubility of the solid phases. However, this impact on the solid phase properties is expected to be of minor relevance regarding the chemical behavior and migration of trivalent lanthanides and actinides in the geosphere.