新型太阳光能双转换材料的设计与合成方法学研究

基于密度泛函理论，选择BaY2S4和金属离子R（Cu+/Pb2+/Bi3+等），分别计算三元硫化物的能带结构和R离子在BaY2S4中的能级状态，在理论上寻找有蓝光发射可能的荧光粉组成。以金属硝酸盐为起始原料，共掺R和Er3+，采用"碳还原硫酸盐→管式立式装料→微波辐射加热"技术路线合成化学性质稳定、具有双激发（Dual-Excitation）和双发射(Dual-Emission)的发光材料；通过试制微波加热新装置和研究碳还原硫酸盐机理发展合成三元硫化物的新方法。以Ca2+/Sr2+/Zn2+等部分取代Ba2+离子、Al3+/Ga3+部分取代Y3+形成固溶体调节光谱峰位和强度。项目旨在建立掺杂碱土稀土三元硫化物发光性质的理论预测和制备新方法，为开发农用太阳能新材料提供理论和技术储备。本项目属于荧光材料性质与结构的理论基础研究和相应的制备科学，对开发新材料具有重要意义。

本项目在四个方面有所创新：. 1. 在周期性边界条件下，根据BaY2S4的晶体结构建立了能带结构的计算模型，运用TD-DFT理论和CASTEP软件包计算过渡金属离子Zn2+等和稀土离子Eu2+、Er3+在BaY2S4中态密度(DOS)和部分态密度(PDOS)，以及Eu2++Er3+共掺BaY2S4的DOS和PDOS。从电子结构上认识了固溶体(Ba,Zn)Y2S4的能带结构和Eu2++Er3+双掺杂BaY2S4的能带结构，很好地解释了Eu2+向Er3+的能量传递机理。并发现BaY2S4:Ho3+是一种新型黄色荧光粉。. 2. 发展了一种合成低价铕离子（Eu2+）激活硫氧化物荧光粉的新方法。在保护气氛下，依据共轭离子对氧化还原反应原理（Eu3++Ce3+→Eu2++Ce3+），合成了CaZnOS:Eu2+,Ce3+荧光粉。仔细研究了Eu2+特征发光与共轭离子对氧化还原反应之间的关系。发现CaZnOS:Eu2+,Ce3+具有与CaS:Eu2+非常相似的发光性质。我们还发展了一种碳热还原法合成三元硫化物荧光粉的新方法。该方法能够一步合成Ba2ZnS3荧光粉而不需要使用BaS和CS2气体。发现Ba2ZnS3:Mn2+,Eu2+是一种新型的紫外光和绿光转红光材料。这些荧光粉能够使丰富而环境友好的太阳能得到充分地利用。. 3. 采用溶胶凝胶法合成了红色荧光粉Ca1-nMgnTiO3:Eu3+,Bi3+。在近紫外光（399 nm）和蓝光（474 nm）激发下，荧光粉Ca0.9Mg0.1TiO3:0.18Eu3+,0.018Bi3+的发射主峰在615 nm，荧光量子效率分别为0.36和0.41，这比报道的CaMoO4:0.2Bi3+, 0.05Eu3+和商用红粉Y2O2S:Eu3+的荧光量子效率均高。它可以将太阳光谱中的紫外光有效地转换成红光、是一种新型的农用转光剂；也是一种适合于紫外芯片的白光LED用红色荧光粉。基于光转换材料在白光LED方面良好的应用前景，我们还对正硅酸盐和焦硅酸盐发白光荧光粉进行了初步研究。. 4. 设备研究方面，设计并组装了一套特殊的合成装置，使硫化物荧光粉的扩大生产有了可能。