一种SM3/YB3共掺的无机纳米材料及其制备方法和应用.pdf

本发明涉及一种Sm3+/Yb3+共掺的无机纳米材料及其制备方法和应用，属于光热转换技术领域，所述材料的化学式为NaY(1-x-y)SmxYby(WO4)2，其中，x＝0.01～0.1，y＝0.1～0.3；所述材料为四方晶系结构，本发明有益效果为通过改变泵浦光源的激发功率、Yb3+离子及Sm3+离子的掺杂浓度改变光热转换效率，实现转换热量的可控性。

1.一种Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料，其特征在于：所述材料的化学式为
NaY_(1-x-y)Sm_xYb_y(WO₄)₂，其中，x＝0.01～0.1，y＝0.1～0.3；所述材料为四方晶系结构。
2.权利要求1所述Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料的制备方法，其特征在于：所
述制备方法包括如下步骤：
前驱体制备：将Sm(NO₃)₃·6H₂O、Yb(NO₃)₃·6H₂O和Y(NO₃)₃·6H₂O溶于水中，得
到稀土硝酸盐溶液；将Na₃Cit·2H₂O溶于水中，得到Na₃Cit·2H₂O溶液；将Na₂WO₄·2H₂O
溶于水中，得到Na₂WO₄·2H₂O溶液；将稀土硝酸盐溶液加入到Na₃Cit·2H₂O溶液中混
匀后加入Na₂WO₄·2H₂O溶液，混匀，得到前驱体；
所述Sm(NO₃)₃·6H₂O、Yb(NO₃)₃·6H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Na₃Cit·2H₂O与
Na₂WO₄·2H₂O的摩尔比为0.01～0.1：0.1～0.3：0.6～0.89：1：2。
微波辅助水热反应：将前驱体在微波反应器中160～180℃反应10～60min、洗涤、
烘干、煅烧。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述稀土硝酸盐溶液的浓度为
0.5～0.7mol/L。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述Na₃Cit·2H₂O溶液的浓度
为0.3～0.5mol/L。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述Na₂WO₄·2H₂O溶液的浓
度为0.5～1mol/L。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述煅烧条件为600～700℃
煅烧1～2h。
7.权利要求1所述Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料在光热转化上的应用。

一种Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料及其制备方法和应用，属于光热转
换技术领域。

背景技术

稀土掺杂发光材料的转换发光过程中，不仅包括光-光转换的过程，还包括光-热
转换的过程。光-光转换过程与光-热转换过程相互依存相互竞争。目前的研究热点为
光-光转换过程，稀土掺杂的无机材料光-热转换过程被忽视和低估，在生物光热治疗
等领域中未见报道。

光热治疗是指利用热对特定的癌细胞造成不可逆的致命损伤，在40～45℃将其杀
死而不会损伤周围正常的生物体组织细胞。将光热转换材料用特定的生物官能团修饰，
能使其附着在指定的癌细胞表面，再用具有一定组织穿透深度的光辐照，达到光热转
换的效果，最终实现光热治疗的目的。但是，目前光热治疗所用的光热转换材料，如
碳纳米管、金纳米结构及半导体量子点等，存在生物相容性低、制备繁复及制备过程
污染大等问题。

发明内容

本发明通过对无机纳米材料掺杂稀土离子的选择，最大化实现其光-热转换过程，
解决了上述问题。

本发明提供了一种Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料，所述材料的化学式为
NaY_(1-x-y)Sm_xYb_y(WO₄)₂，其中，x＝0.01～0.1，y＝0.1～0.3；所述材料为四方晶系结构。

本发明的另一目的为提供上述Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料的制备方法，所述制
备方法包括如下步骤：

前驱体制备：将Sm(NO₃)₃·6H₂O、Yb(NO₃)₃·6H₂O和Y(NO₃)₃·6H₂O溶于水中，得
到稀土硝酸盐溶液；将Na₃Cit·2H₂O溶于水中，得到Na₃Cit·2H₂O溶液；将Na₂WO₄·2H₂O
溶于水中，得到Na₂WO₄·2H₂O溶液；将稀土硝酸盐溶液加入到Na₃Cit·2H₂O溶液中混
匀后加入Na₂WO₄·2H₂O溶液，混匀，得到前驱体；

所述Sm(NO₃)₃·6H₂O、Yb(NO₃)₃·6H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Na₃Cit·2H₂O与
Na₂WO₄·2H₂O的摩尔比为0.01～0.1：0.1～0.3：0.6～0.89：1：2。

微波辅助水热反应：将前驱体在微波反应器中160～180℃反应10～60min、洗涤、
烘干、煅烧。

本发明所述稀土硝酸盐溶液的浓度优选为0.5～0.7mol/L。

本发明所述Na₃Cit·2H₂O溶液的浓度优选为0.3～0.5mol/L。

本发明所述Na₂WO₄·2H₂O溶液的浓度优选为0.5～1mol/L。

本发明所述煅烧条件优选为600～700℃煅烧1～2h。

本发明的又一目的为提供上述Sm³⁺/Yb³⁺共掺的无机纳米材料在光热转化上的应
用。

本发明所述应用方法优选为包括如下步骤：

①光能吸收过程：采用980nm激光器作为光源对能量供体Yb³⁺离子辐射，实现激
发态能级²F_5/2的布居；

②能量传递过程：能量受体Sm³⁺离子的⁶F_9/2能级与能量供体Yb³⁺离子的²F_5/2能
级匹配，Yb³⁺离子将吸收的能量传递给Sm³⁺离子，使Sm³⁺离子的⁶F_9/2能级布居；

③热能转化过程：由于基质无机纳米材料NaY(WO₄)₂具有声子能，在声子能的作
用下，使Sm³⁺离子的⁶F_9/2能级上布居的电子不再向Sm³⁺离子更高的能级布居，同时
Sm³⁺离子⁶F_9/2能级以下具有密集的位置比较低的能级，Sm³⁺离子的⁶F_9/2能级上布居的
电子以能级间的无辐射弛豫的方式去激发，最后回到Sm³⁺离子的⁶H_5/2基态能级，能
量以热的方式释放。

本发明有益效果为：

①本发明通过改变泵浦光源的激发功率、Yb³⁺离子及Sm³⁺离子的掺杂浓度改变光
热转换效率，实现转换热量的可控性；

②本发明采用980nm光纤激光器作为泵浦光源，能量供体Yb³⁺离子在980nm处
有较大的吸收截面，保证其最大程度的光能吸收；

③本发明采用980nm光纤激光器作为泵浦光源，其波长处于生物体组织穿透窗口
(700～1000nm)，具有组织穿透能力，为在生物光热治疗领域提供潜在条件；

④本发明所述能量受体Sm³⁺离子，具有丰富的位置比较低的下能级和比较稀少的
中间能级，增加了能级间无辐射弛豫的几率；

⑤本发明所述NaY(WO₄)₂无机纳米材料制备简单、制备过程无污染，同时材料自
身具有较好的化学物理稳定性，生物相容性更高。

附图说明

本发明附图2幅，

图1为实施例1制备的具有光热转换特性的Sm³⁺/Yb³⁺共掺的NaY(WO₄)₂纳米粒
子的XRD图；

图2为实施例1制备的具有光热转换特性的Sm³⁺/Yb³⁺共掺的NaY(WO₄)₂纳米粒
子的SEM图。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以
任何方式限制本发明。

实施例1

一种Sm³⁺/Yb³⁺共掺的NaY(WO₄)₂纳米粒子的制备方法，所述制备方法包括如下
步骤：

前驱体制备：将0.1mmolSm(NO₃)₃·6H₂O、0.2mmolYb(NO₃)₃·6H₂O和1.7mmol
Y(NO₃)₃·6H₂O溶于3mL蒸馏水中，得到稀土硝酸盐溶液；将2mmolNa₃Cit·2H₂O溶于
4mL蒸馏水中，得到Na₃Cit·2H₂O溶液；将4mmolNa₂WO₄·2H₂O溶于4mL蒸馏水中，
得到Na₂WO₄·2H₂O溶液；将稀土硝酸盐溶液以5ml/min的速度滴加到Na₃Cit·2H₂O溶
液中，100r/min搅拌10min，再以5ml/min的速度滴加Na₂WO₄·2H₂O溶液，100r/min
搅拌15min，得到白色胶状前驱体；

微波辅助水热反应：将白色胶状前驱体加入到石英玻璃反应釜中，再将石英玻璃
反应釜放入BiotageInitiator微波反应器内，180℃反应1h，分别用蒸馏水和无水乙醇
洗涤2～3次，60℃烘干1h，700℃煅烧1h，得到具有光热转换特性的Sm³⁺/Yb³⁺共掺
的NaY(WO₄)₂纳米粒子。