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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.
A series of terbium- and europium-exchanged microporous-mesoporous zeolite Socony Mobil Five (MFI)-type materials such as Zeotile-1 and Zeogrid with varying Si/Al ratios was investigated using FTIR, PXRD, adsorption- desorption isotherms of N-2 at 77 K and time-resolved luminescence spectroscopy. Silylation of the lanthanides-exchanged Zeotile-1 and Zeogrid with hexadecyl trimethoxysilanes via post-synthesis grafting was also studied. The results showed that the lanthanide's photoluminescence spectra and decays were modified due to silylation. The different silylation effects in Zeotile-1 and Zeogrid were correlated with the textural properties of the investigated materials. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.
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.
Contactless pressure monitoring based on Forster resonance energy transfer between donor/acceptor pairs immobilized within elastomers is demonstrated. The donor/acceptor energy transfer is employed by dispersing terbium(III) tris[(2-hydroxybenzoyl)-2-aminoethyl] amine complex (LLC, donor) and CdSe/ZnS quantum dots (QD655, acceptor) in styrene-ethylene/buthylene-styrene (SEBS) and poly(dimethylsiloxane) (PDMS). The continuous monitoring of QD luminescence showed a reversible intensity change as the pressure signal is alternated between two stable states indicating a pressure sensitivity of 6350 cps kPa(-1). Time-resolved measurements show the pressure impact on the FRET signal due to an increase of decay time (270 ms up to 420 ms) for the donor signal and parallel drop of decay time (170 mu s to 155 mu s) for the acceptor signal as the net pressure applied. The LLC/QD655 sensors enable a contactless readout as well as space resolved monitoring to enable miniaturization towards smaller integrated stretchable opto-electronics. Elastic FRET sensors can potentially lead to developing profitable analysis systems capable to outdo conventional wired electronic systems (inductive, capacitive, ultrasonic and photoelectric sensors) especially for point-of-care diagnostics, biological monitoring required for wearable electronics.
Two different types of mesoporous silicon-phosphate supports using different surfactants (a mixture of (CH3)(3)C13H27NBr with an organophosphorus coupling molecule (HO-PO(i-C3H7)(2)) and with a co-surfactant ((C2H5)(3)(C6H5)PCl), respectively) were synthesized. Trivalent europium (Eu) ions were immobilized via ion-exchange on these supports. The resulting materials were characterized using nitrogen adsorption isotherms at -196 degrees C, thermogravimetric analysis, SEM, TEM, FT-IR, PXRD, CP/MAS. (HSi)-H-1-Si-29 and P-31 NMR, DR-UV-vis as well as steady- state and time-resolved photoluminescence spectroscopy. The results evidenced that the co-polymerization of silicon and phosphorous yielded a unique morphology in these materials. Following calcination at 450 and 900 degrees C europium- exchanged silicon-phosphates with great surface area (BET=600-705 m(2) g(-1)) and 3.4 nm sized mesopores were obtained. The differences among the optical properties of the non-calcined europium materials such as the emission lifetimes, local environment at the europium sites or the relative contribution of the upper excited levels to the total photoluminescence were assigned to the surfactants used in the synthesis. Calcination of the silicon-phosphates at higher temperatures than 450 degrees C did not induce major changes in the structural properties: in contrast, photoluminescence properties of europium were markedly improved in terms of intensity and average lifetime.
Zeolites NaY and ZSM-5 were used as hosts for styrene polymerization after ion-exchange with europium ions. The parent and hybrid, polystyrene coated Eu-NaY (Eu-NaY/PS) and Eu-ZSM-5 (Eu-ZSM-5/PS) zeolites were investigated by using thermal analysis, SEM, PXRD, FT-IR, DR-UV/Vis, steady state and time-resolved photoluminescence spectroscopy. FT-IR spectra evidenced for the interaction between the zeolitic hosts and polystyrene while the PXRD spectra supported for the presence of the polymer inside the channels/pores of Eu-NaY/PS and Eu-ZSM-5/PS materials. The optical properties of Eu-NaY/PS and Eu-ZSM-5/PS were significantly changed relative to those of the parent zeolites, giving further evidence for the presence of polymer inside zeolites. An interesting case is presented by NaY zeolite: following styrene polymerization, the polymer interacted selectively with one of the two main species co-existing inside zeolite while for ZSM-5 a similar effect was not observed.
Europium ions were introduced in SiO2 and MCM-41 via two different pathways: (1) grafting the europium complexes with two alkoxide structures, 3-(2-imidazolin-1-yl)-propyl-triethoxysilane (IPTES) and aminopropyltrimethoxysilane (APTMS), and (2) functionalization of the SiO2 support with silicon 4- carboxylbutyltriethoxide followed by subsequent addition of the europium ions. The new materials were characterized using nitrogen adsorption isotherms at -196 degrees C, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, powder X-ray diffraction, Fourier transform infrared, NMR, DR-UV-vis, steady-state emission and excitation, and time-resolved photoluminescence spectroscopy. Spectral changes found in the time-resolved photoluminscence spectra strongly point to the distribution of europium ions on a range of environments in both SiO2 and MCM-41 supports. The average europium photoluminescence lifetimes decrease within the order: Eu3+-IPTES/SiO2 (550 mu s) > Eu3+-APTMS/SiO2 (425 mu s) > Eu3+-APTMS/MCM-41 (370 mu s) > Eu3+-IPTES/MCM-41 (320 mu s) > Eu3+-CABES/SiO2 (240 mu s). The photoluminescence quantum efficiency has the largest value, of 22%, for Eu3+-IPTES/SiO2, while the most reduced value, of 9%, was measured for Eu3+-CABES/SiO2.