Nanokomposit Al2O3:SiOC dari Alumina Modifikasi Fenyltrimetoksisilan—Sintesis, Struktur, dan Fotoluminescensi

Abstrak

Nanokomposit Al₂O₃:SiOC disiapkan dengan perawatan termal nanopartikel alumina fumed yang di-graft dengan fenyltrimetoksisilan (PhTMS). Kami memeriksa bagaimana suhu anealing dalam atmosfer iners mempengaruhi struktur dan fotoluminescensi (PL) material menggunakan spektroskopi FTIR dan PL di bawah excitasi UV dan X-ray. Data mengungkapkan bahwa suhu anealing yang lebih tinggi mempromosikan presipitasi silica pada permukaan alumina, diiringi oleh perubahan yang jelas dalam spektrum PL terlihat. Temuan ini diinterpretasikan melalui transformasi struktural permukaan partikel alumina.

Latar Belakang

Pekerjaan terbaru telah menunjukkan bahwa nanopartikel silica dengan permukaan yang karbonisasi—dihasilkan oleh pirolisis grup fenilmethoxy—menunjukkan PL terlihat yang kuat di bawah cahaya UV [1]. Material tersebut, yang memancarkan cahaya terlihat broadband pada suhu kamar tanpa aktivator tanah langka, adalah pengganti yang menjanjikan untuk fosfor keramik doted tanah langka yang mahal dalam sumber cahaya putih berdasarkan lampu gas discharge kompak atau LED. Meskipun SiO₂ yang mengandung karbon (SiO₂:C) telah dilaporkan menunjukkan PL terlihat broadband [2–5], sifat tepat dari pusat emisi masih tidak jelas. Hipotesis yang luas mengaitkan pusat ini dengan kluster nanokarbon yang terbentuk pada matriks silica luas permukaan [1, 2, 5]. Memvalidasi hipotesis ini memerlukan studi PL rinci pada permukaan karbonisasi dalam sistem terstruktur nano. Alumina fumed, dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan properti mekanis serta kimia yang kuat, adalah templat yang menarik untuk investigasi tersebut [6–11]. Dalam studi ini kami menyelidiki PL yang diekstimulasi UV dan X-ray dalam bubuk Al₂O₃ ultra-halus yang permukaannya sengaja dikarbonisasi melalui grafting PhTMS dan perawatan termal berikutnya.

Metode

Bahan awal adalah bubuk alumina pirogenik (luas permukaan spesifik 89 m²/g; ukuran partikel 30–50 nm). Bubuk dispersi dalam larutan toluena PhTMS (1,73 mL PhTMS per 10 mL toluena) dan direfluks pada 70 °C selama 4 jam kehadiran trietilamina sebagai katalis, memfasilitasi grafting grup fenilmethoxy pada permukaan alumina. “Fenyl-alumina” yang dihasilkan dikeringkan dan kemudian dianalkan pada 400, 500, atau 600 °C selama 30 menit di bawah aliran nitrogen murni pada tekanan atmosfer.

Analisis struktural dilakukan dengan spektroskopi FTIR (Bruker Vertex 70 V, mode transmisi, pellet KBr, 400–5000 cm⁻¹). Pengukuran PL dilakukan dengan laser semiconductor 290 nm (5 mW) untuk excitasi UV dan dengan sinar X 13–14 keV untuk excitasi energi tinggi. Spektra PL UV direkam pada spectrometer Edinburgh Instruments LIFESPEC II; PL diekstimulasi X-ray dikumpulkan menggunakan monokromator MDR-2 dan fotomultiplier FEP-106.

Hasil dan Pembahasan

Spektroskopi IR

Gambar 1 membandingkan spektrum transmisi FTIR alumina murni dan fenyl-alumina. Dalam sampel murni, pita serap lebar pada 540 dan 800 cm⁻¹ timbul dari getangan Al–O dalam koordinasi tetrahedral dan oktahedral, masing-masing [13, 14]. Setelah grafting, pita tambahan muncul: 2800–3000 cm⁻¹ (C(sp³)–H), 3000–3100 cm⁻¹ (C(sp²)–H), dan puncak tajam pada 1136, 1430, dan 1590 cm⁻¹ (C=C dalam cincin fenil) bersama dengan pita lebar 980–1200 cm⁻¹ yang berpusat pada 1033 cm⁻¹ yang menunjukkan pembentukan jaringan siloksa [16, 17].

Saat anealing, pita terkait fenil berkurang secara progresif (Gambar 2). Pada 400 °C, getangan C=C sebagian besar tertekan, dan pita siloksa bergeser dari 1033 ke 1070 cm⁻¹, menandai transisi dari struktur silica polimerik menjadi keramik. Bahu di sekitar 450–460 cm⁻¹ (getangan Si–O–Si) muncul, mengonfirmasi pembentukan jaringan silica. Tanda fenil yang tersisa terus ada bahkan pada 600 °C, namun tidak ada pita karbon pirolitik amorfa (~1600 cm⁻¹) yang diamati, yang menunjukkan bahwa karbon difusi ke dalam jaringan Al₂O₃ selama anealing [18].

Fotoluminescensi

Alumina yang disiapkan menunjukkan pita PL lebar lemah (300–600 nm) di bawah excitasi 290 nm, yang terdiri dari puncak di sekitar 335, 390–400, dan 470 nm. Fitur-fitur ini disebabkan oleh pusat F⁺ (elektron rongga oksigen), P⁻ (pasangan rongga anion-kation), dan F₂, masing-masing [9, 19–20]. Setelah grafting PhTMS, pinta UV yang menonjol pada 340 nm muncul, kemungkinan karena status eksimer dari grup fenil yang dipadatkan [21–23]. Anealing menghilangkan pinta ini saat grup fenil terdekomposisi. Namun, komponen PL terlihat baru berkembang, dengan intensitas terintegrasi puncak pada 500 °C. Puncak 410 nm dan bahu 500 nm tetap stabil pada 400–600 °C, menunjukkan emisi dari permukaan silica atau struktur silica yang dikarbonisasi, konsisten dengan bukti FTIR pembentukan SiO₂.

PL diekstimulasi X-ray pada 90 K mengungkapkan pita hijau sempit (~550 nm) hanya dalam sampel yang dianalkan 400 °C, yang disebabkan oleh eksiton yang terjebak sendiri dalam jaringan silica yang baru terbentuk [24]. Pita ini tidak ada dalam alumina murni dan sampel yang tidak di-graft, memperkuat peran presipitasi silica dalam peningkatan PL terlihat.

Kesimpulan

Kami telah menyintesis nanokomposit Al₂O₃:SiOC dengan grafting fenyltrimetoksisilan pada alumina fumed dan anealing pada 400–600 °C. Grup hidroksil pada permukaan alumina diganti oleh hubungan fenilsiloksa, yang saat pirolisis membentuk presipitasi silica pada permukaan partikel. Tidak ada presipitasi karbon yang terdeteksi setelah grup organosilikon terdekomposisi. Evolusi spektrum PL terlihat secara langsung terkait dengan pembentukan silica kaya karbon pada permukaan alumina, menawarkan jalan untuk PL yang dapat diatur dalam nanokomposit berbasis Al₂O₃.

Singkatan

Al₂O₃:C:

Aluminium oksida doted karbon

Al₂O₃:SiOC:

Nanokomposit alumina/organosilikon

F⁺-center:

Rongga oksigen dengan elektron yang terjebak

F₂-center:

Dua pusat F berdekatan

F-center:

Rongga oksigen dengan dua elektron yang terjebak

F_S⁺-center:

Analog permukaan dari pusat F⁺

FTIR:

Infrared transform Fourier

IR:

Infra merah

P⁻-center:

Pasangan rongga anion-kation

PhTMS:

Fenyltrimetoksisilan

SiO₂:C:

Material nanokomposit karbonisasi berbasis silica