페닐트리메톡시실란 개질 알루미나로부터 제조한 Al₂O₃:SiOC 나노복합체 - 합성, 구조, 발광 특성

초록

펄트리메톡시실란(PhTMS)으로 그라프트한 흄드 알루미나 나노입자를 열처리해 Al₂O₃:SiOC 나노복합체를 제조했습니다. 불활성 분위기 어닐링 온도가 소재 구조와 발광(PL)에 미치는 영향을 FTIR과 자외선/X선 여기 PL 분광법으로 조사했습니다. 고온 어닐링이 알루미나 표면 상 실리카 침전을 촉진하며 가시광 PL 스펙트럼에 현저한 변화를 일으킴을 확인했습니다. 이 결과는 알루미나 입자 표면 구조 변환 관점에서 해석됩니다.

배경

최근 페닐메톡시기 열분해로 탄소화 표면 생성 실리카 나노입자가 자외선 하 강한 가시광 PL 나타냄 보고[1]. 희토류 활성제 없이 상온에서 광대역 가시광 발광하는 이 소재들은 소형 가스 방전 램프나 LED 기반 백색 광원에서 고가 희토류 도핑 세라믹 형광체 대체재로 유망합니다. 탄소 함유 SiO₂(SiO₂:C)도 광대역 가시광 PL 보고되었으나[2-5], 발광 중심 본질은 불명확. 지배적 가설은 고표면적 실리카 매트릭스 상 탄소 나노클러스터 형성[1, 2, 5]. 이 가설 검증 위해 나노구조 시스템 내 탄소화 표면 상세 PL 연구 필요. 흄드 알루미나는 높은 비표면적과 견고한 기계적·화학적 특성으로 좋은 템플릿[6-11]. 본 연구서 PhTMS 그라프팅과 열처리로 의도적으로 표면 탄소화한 초미립 Al₂O₃ 분말의 자외선/X선 여기 PL 조사.

방법

출발 물질: 열분해 Al₂O₃ 분말(비표면적 89 m²/g, 입자 크기 30-50 nm). 톨루엔 용액 PhTMS(10 mL 톨루엔당 1.73 mL PhTMS)에 분산, 트리에틸아민 촉매 하 70°C 4시간 환류로 알루미나 표면 페닐메톡시기 그라프팅. 결과 '페닐-알루미나' 건조 후 순수 질소 흐름, 상압 하 400, 500, 600°C에서 30분 어닐링.

구조 분석: 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법(Bruker Vertex 70 V, 투과 모드, KBr 펠릿, 400-5000 cm⁻¹). PL 측정: 290 nm 반도체 레이저(5 mW) 자외선 여기, 13-14 keV X선 고에너지 여기. 자외선 여기 PL Edinburgh Instruments LIFESPEC II 분광계, X선 여기 PL MDR-2 단색계와 FEP-106 광증배관으로 수집.

결과 및 고찰

IR 분광법

Figure 1은 원시 알루미나와 페닐-알루미나 FTIR 투과 스펙트럼 비교. 원시 시료서 540, 800 cm⁻¹ 넓은 흡수대는 사면체, 팔면체 배위 Al-O 신축 진동[13, 14]. 그라프팅 후 추가 밴드: 2800-3000 cm⁻¹(C(sp³)-H), 3000-3100 cm⁻¹(C(sp²)-H), 1136, 1430, 1590 cm⁻¹ 날카로운 피크(페닐고리 C=C), 980-1200 cm⁻¹ 중심 1033 cm⁻¹ 넓은 밴드(실록산 네트워크 형성)[16, 17].

어닐링 시 페닐 관련 밴드 점진적 감소(Fig. 2). 400°C서 C=C 진동 대부분 억제, 실록산 밴드 1033→1070 cm⁻¹ 이동으로 중합체→세라믹 실리카 구조 전이 시사. 450-460 cm⁻¹ 어깨(Si-O-Si 로킹) 출현, 실리카 네트워크 형성 확인. 잔류 페닐 신호 600°C까지 지속되나 비정질 열분해 탄소 밴드(~1600 cm⁻¹) 미관찰, 어닐링 중 탄소 Al₂O₃ 격자 내 확산 시사[18].

발광(PL)

제조 알루미나 290 nm 여기서 약한 광대역 PL 밴드(300-600 nm), 335, 390-400, 470 nm 피크. 각각 F⁺(산소 공공 포착 전자), P⁻(음이온-양이온 공공쌍), F₂ 중심 기인[9, 19-20]. PhTMS 그라프팅 후 340 nm 뚜렷한 자외선 밴드 출현, 빽빽한 그라프팅 페닐기 엑시머 상태 유래[21-23]. 어닐링으로 페닐기 분해되며 이 밴드 소멸. 그러나 새로운 가시광 PL 성분 발생, 적분 강도 500°C서 최대. 410 nm 피크와 500 nm 숄더 400-600°C서 안정, 실리카 표면 또는 탄소화 실리카 구조 유래 발광 시사, FTIR 실리카 형성 증거와 일치.

90 K X선 여기 PL서 400°C 어닐링 시료만서 좁은 녹색 밴드(~550 nm) 관찰, 신규 형성 실리카 네트워크 내 자가 포착 엑시톤 기인[24]. 이 밴드 원시 알루미나와 비그라프팅 시료서 없음, 실리카 침전이 가시광 PL 향상 역할 강화 확인.

결론

페닐트리메톡시실란을 흄드 알루미나에 그라프팅 후 400-600°C 어닐링해 Al₂O₃:SiOC 나노복합체 합성. 알루미나 표면 수산기가 페닐실록산 결합으로 치환, 열분해 시 입자 표면 실리카 침전 형성. 유기규소기 분해 후 탄소 침전 미검출. 가시광 발광 스펙트럼 진화는 알루미나 표면 탄소 풍부 실리카 형성과 직접 연관, Al₂O₃ 기반 나노복합체서 조절 가능 PL 경로 제시.

약어

Al₂O₃:C:

탄소 도핑 산화알루미늄

Al₂O₃:SiOC:

알루미나/유기규소 나노복합체

F⁺-center:

포착 전자 가진 산소 공공

F₂-center:

인접한 두 F-센터

F-center:

두 전자 포착 산소 공공

Fₛ⁺-center:

F⁺-센터 표면 유사체

FTIR:

푸리에 변환 적외선

IR:

적외선

P⁻-center:

음이온-양이온 공공쌍

PhTMS:

페닐트리메톡시실란

SiO₂:C:

실리카 기반 탄소화 나노복합체 소재