含干凝胶材料的制备及传感实验设计

庞雪蕾（1977—），女，河北石家庄，博士，副教授，研究方向为稀土发光材料和凝胶材料。

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冯端院士说：“实验室是现代大学的心脏”。高校化学实验室是化学化工类专业师生进行实验教学、科学研究的主要场地。新形势下高等教育事业也因时而进, 各高校开放实验室、挑战杯、大学生创业创新等实践类活动，使得实验室开放程度逐步提高。在完成基础教学实验基础上，同时注重培养学生科学探究能力。综合性实验的设计和开展可满足学生成长的需求，提高学生创新能力、动手能力以及分析和解决问题能力等综合能力的培养，激发学生对化学学科的兴趣，提升学生的培养质量和科学素养[1]。

1 实验设计背景

被誉为“新材料的宝库”的稀土元素由于具有独特的电子层结构而表现出优异的光、电、磁功能，是我国重要的战略资源之一。发光性能是稀土化合物光、电、磁三大功能中最突出的功能，因此稀土发光材料一直是科学工作者研究的热点。稀土有机配合物，尤其是铕配合物（红光）和铽配合物（绿光），是一类性能优良的发光体，它具有荧光寿命长、发射谱带窄、量子产率高、色纯度高、谱线丰富等特点，因此它们在发光材料、显示器、荧光免疫系统、生物传感和成像等领域有着潜在的应用价值[2]。然而，稀土有机配合物却因较差的光、热以及机械稳定性等限制了其实际应用。设计合成新型的功能有机配体、引入无机基质、离子液体或聚合物等可有效改善稀土配合物和弥补部分缺陷[3]。基于稀土的化学传感器在环境、生物和化学过程中具有重要的作用[4]。

为培养学生的科学探究能力，了解稀土发光材料的合成方法和其在传感领域中的应用，本文实验设计合成了一种带有功能团─NH 的含Eu (Ⅲ)干凝胶材料，使学生熟练掌握溶胶-凝胶法稀土发光材料的制备方法，并且通过溶剂和阴离子的筛选研究稀土荧光功能材料的传感性能。实验通过对样品的结构、形貌、发光性能等进行表征，使学生熟悉大型仪器的工作原理和操作方法，培养学生处理和分析实验数据的能力，为学生独立进行科学研究进一步奠定基础。

2 实验试剂与仪器

主要试剂：硝酸铕，苯基脲，邻菲罗啉，异氰酸丙基三乙氧基硅烷，正硅酸乙酯，四丁基铵盐购于阿拉丁，无水乙醇等常见有机溶剂，购于天津恒兴化学试剂厂。

主要仪器：电子天平，旋转蒸发仪，磁力搅拌器，红外光谱仪，扫描电子显微镜，热重分析仪、荧光光谱仪等。

3 实验内容

3.1 材料的合成

3.1.1 苯基脲修饰烷氧基硅烷（L-Si）的合成

将109 mg 苯基脲在N2条件下溶解于适量的无水四氢呋喃中，在搅拌条件下滴加238 mg 异氰酸丙基三乙氧基硅烷（TEPIC），反应体系在65 ℃下反应12 h，旋蒸去除溶剂，得到苯基脲修饰的烷氧基硅烷L-Si。

3.1.2 荧光Eu (Ⅲ)干凝胶的合成

将所得到的L-Si 和邻菲罗啉（phen）溶于一定量的无水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，然后在磁力搅拌条件下加入一定量的硝酸铕溶液，30 min 后分别滴加TEOS 和pH=2 的HCl 溶液，使得L-Si/LnNO3/phen/TEOS/H2O = 3∶1∶1∶187.5∶750。溶液搅拌均匀后转移至反应釜中，60 ℃下反应4 h，真空干燥，研磨得到含Eu (Ⅲ)干凝胶。详细的反应过程如图1。

图1 含Eu (Ⅲ)干凝胶的合成示意图

3.2 材料的表征

使用傅立叶红外光谱（Nicolet IS10 infrared spectrum radiometer，KBr 压片）对样品组成进行分析；使用扫描电子显微镜（JSM-6700F microscope，操作电压10.0 kV）观察样品的微观形貌和尺寸；使用荧光光谱仪（Hitachi F-4600 phosphorimeter，Xe 灯作为激发源）测量样品的激发和发射光谱。热重分析在N2气氛和10 ℃/min 的升温速度下，使用PerkinElmer Pyris Diamond thermal analyzer 进行测试。

4 结果与讨论

4.1 L-Si 和Eu (Ⅲ)干凝胶的FTIR

图2 为L-Si 和Eu (Ⅲ)干凝胶的FTIR 光谱图。从谱图可知，由于Eu (Ⅲ)干凝胶的形成，—NH 的伸缩振动由L-Si 的3 311 和3 432 cm-1升高至更高的频率3 365 和3 450 cm-1。附近的2 937 cm-1峰为TEPIC 的3 个亚甲基-CH2官能团的伸缩振动。形成Eu (Ⅲ)干凝胶后Si-OEt 位于1 051 cm-1的强峰变弱，被Si-O-Si的1 067 cm-1的特征峰反对称伸缩振动代替，说明L-Si中Si-OEt 和TEOS 发生了缩合反应[5]。位于1 502 cm-1的新峰应归因于phen 的芳香环的振动。与L-Si 比较，由于L-Si与Eu离子的配位作用， Eu (Ⅲ)干凝胶中—CONH的C=O 的振动峰在1 653 cm-1处变宽。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0414/707.html