稀土有机配合物的制备及性能测定
一、实验目的
1. 了解稀土元素的基本知识。 2. 理解光致发光的基本原理。
3. 熟练掌握稀土盐和稀土有机配合物的制备方法。
4. 熟悉荧光光谱仪、差热-热重分析仪和红外光谱的结构、原理和应用。 二、实验原理
1. 基本知识简介
由于稀土元素具有优异的物理和化学性能，特别是具有优异的光电磁和催化性能，已经在国民经济和现代科学技术的各个领域得到了重要的应用，所以稀土元素被誉为新材料的宝库。我国是稀土资源大国，仅目前发现的包头稀土储量就占世界稀土含量的90％以上，对稀土资源进行深度加工制成高附加值的新型功能材料具有重要的意义。尤其是徐光宪院士稀土分离技术的工业化使得稀土的价格大大下降，这更为稀土的发展创造了优越条件。
☆稀土元素的发光
稀土元素在元素周期表中主要包括从57－71号的15种元素（La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu），也包括21号Sc和39号Y元素。对于前面15种元素来说，都含有4f轨道，具有镧系收缩现象。稀土离子因为存在着4f轨道，所以能级结构非常复杂，有些能级之间的跃迁就会产生发光现象。单独的稀土离子一般来说很难发出较强的光，通常都是稀土离子与有机配体首先形成稀土配合物。然后在光照或者通电流的情况下，能量通过配体吸收，然后传递给稀土离子，稀土离子能级从激发态跃迁回基态的时候会产生发光现象。
因为稀土离子各自都有不同的能级结构，所以并不是所有的稀土离子与有机配体配位形成配合物以后都能得到较好的光致发光。只有能级匹配的稀土配合物才能够发射出较强的可见光。能级匹配包含两方面的内容：（1）有机配体的三线态与稀土离子最低激发态能级的匹配程度；（2）稀土离子最低激发态与基态之间的能量差对应的光波波长是否在可见光范围。
☆基态和激发态
基态是指分子的稳定态，即能量最低状态，当一个分子中的所有电子的排布完全遵从构造原理（能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则）时，分子处于基态（ground state）。如果一个分子受到光的辐射使其能量达到一个更高的值时，这个分子被激发，分子中的电子排布不完全遵从构造原理，这时的分子处于激发态（excited state）。激发态是分子的一种
2S+1
不稳定状态，其能量相对较高。一个态的性质可以用光谱项LJ来表示。2S+1称为多重性或者多重态，表示态的自旋状态，L和J分别为角动量量子数和总量子数。绝大多数有机化合物为闭壳层分子，总自旋S＝0，2S＋1＝1，也就是说绝大多数有机分子的基态是单重态（singlet state）。氧分子的基态是三重态，是一个例外。单重态一般用S来表示，基态单重态一般用S0表示。分子受到激发后，其中一个电子从低能量轨道被激发到高能量轨道上，这个过程称为“跃迁”。电子跃迁到高能量轨道后，激发态的自旋状态有可能出现不同于基态的情况。如果此时的有机分子被激发时电子自旋没有改变，则激发态分子的总自旋仍为零，分子仍然为单重态，这时称之为激发单重态。依据能量的高低，分别用S1，S2，S3等来表示。如果有机分子被激发时跃迁的电子自旋发生了翻转，则分子中电子的总自旋S＝1，这是分子的多重性为2S＋1＝3，此时的分子为激发三重态（triplet state）。依据能量的高低，分别用T1，T2，T3等来表示。
本实验主要研究的内容是在光照情况下产生发光的，称之为光致发光。图1是光致发光过程中的能量传递示意图。
氙灯光源产生光束经过光栅后分出单色光，然后单色光经过入射狭缝照射到样品上，稀土配合物样品中的配体吸收激发光后从基态（S0）跃迁到激发单重态（S1）。然后激发单重态（S1）经过系间窜跃到达激发三重态（T1）。如果激发三重态（T1）与稀土离子的最低激发态能级（ES）匹配的话，将会把能量传递给稀土离子的最低激发态。稀土离子最低激发态回到基态的过程中将会以光子辐射的形式将能量释放出来。如果如果激发三重态（T1）能级与稀土离子的最低激发态能级（ES）不匹配的话，也就是说激发三重态（T1）过高或者过低于稀土离子的最低激发态能级（ES）的话，那么能量就很难从激发三重态（T1）传递给稀土离子的最低激发态能级（ES），此时的能量将会从激发三重态（T1）直接回到配体的基态（S0）而发射出磷光。
光致发光的过程中，激发光源将能量首先传递给能够接受激发光能量的有机配体分子，有机配体从基态跃迁到激发单重态（S0），然后通过系间窜跃（ISC）将能量传递给激发三重态（T1），接着激发三重态的能量再传递给稀土离子的最低激发态，最后发生稀土离子激发态到各个基态的跃迁过程，此时能量将会以光能的形式发出来，这就是光致发光的能量传递过程。 ☆荧光量子产率
荧光量子产率指的是荧光发射的光子数与其所吸收的激发光子数之比。为了简化工作量，现在测量荧光物质的量子产率都是测量其与标准物质的相对值并换算而得到的。在测量样品的荧光量子产率时，需要选择一个激发和发射均与样品比较相近的标准物质，在同样的波长下激发样品和标准物质，测量它们在同一波段的荧光积分强度（面积），这样可以减小不同光谱波段仪器响应不均匀所造成的影响。然后根据下面的公式进行计算。式中QY表示量子产率（quantum yield），下标S和R分别代表样品和标准物质，I为荧光发射的强度，A为激发波长处的吸光度，n为溶液的折射率。这个公式形式很简单，要注意在配制溶液时激发波长处的吸光度A不要大于0.05，以免发生自吸收现象，影响测量结果。一般溶液的阿浓度都不大，所以折射率就取溶剂的折射率，如果使用相同的溶剂则公式中的折射率项可以删去。
22
QYS=QYR?IsARnS/(IRASnR)
本实验所采用的元素是Tb（铽），因为这种稀土离子所形成的稀土配合物发光亮度比较强，容易观察到。对于稀土Tb的配合物，在受到紫外光激发时，一般都是发绿色光。
稀土Tb配合物的发射峰一般可观察到四个，分别在491nm，546nm，586nm，622nm附近，分
575757 57
别对应的能级跃迁为D4-F6, D4-F5, D4-F4和D4-F3。 稀土配合物的种类
稀土配合物一般来说分为羧酸类稀土配合物、β－二酮类稀土配合物、稀土大分子配合物三种。羧酸类稀土配合物一般指的是以羧酸类有机小分子作为第一配体所制备的稀土配合
物；β－二酮类稀土配合物一般指的是以、β－二酮类有机小分子作为第一配体所制备的稀土配合物；这两类稀土配合物一般都可以使用第二配体以满足稀土离子的空间配位要求。这两类配合物制备方法简单，比较容易合成产物，同时所制备的产物一般来说可以溶于有机溶剂。对于β－二酮类稀土配合物，由于具有合适的分解温度和升华温度，大多都可以进行真空蒸镀，适用于均匀制备电致发光所需要的发光层薄膜。而羧酸类稀土配合物由于分解温度和升华温度不合适，很难真空蒸镀，一般都是和导电高分子共溶于有机溶剂，然后通过匀胶甩膜的方法来制备电致发光器件所需要的发光层薄膜。稀土高分子配合物指的是以高分子作为第一配体所制备的稀土配合物。这类配合物不同于前两种，由于高分子具有较大的分子量、单个分子具有较复杂的分子结构，这使得所制备的稀土配合物很难真空蒸镀，部分稀土高分子配合物可以溶于有机溶剂。从制备的方法上来说，主要有两种方法来制备稀土高分子配合物：（1）稀土有机小分子配合物聚合成稀土高分子配合物；（2）稀土离子与含有羧基、磺酸基等基团的高分子反应生成稀土高分子配合物。
三、实验仪器和药品
药品：氯化铕（EuCl3·6H2O），氯化鋱（TbCl3·6H2O），乙酰水杨酸，1，10-邻菲啰啉，乙醇，三乙胺，二氯甲烷。
乙酰水杨酸： 1，10-邻菲啰啉： 仪器：荧光灯，电磁搅拌，水泵，干燥器，沙板漏斗、抽滤瓶，烧杯、玻璃棒，容量瓶，自封袋，角匙，PH试纸， 红外光谱仪、荧光光谱仪和紫外光谱仪。
四、试验步骤
1.稀土铕配合物的制备
首先，分别称取1 mmolTbCl3·6H2O的晶体，3 mmol第一配体乙酰水杨酸以及1 mmol第二配体1,10-邻菲啰啉，将这三种物质分别溶于10 ml的乙醇中，将第一配体乙酰水杨酸加入到稀土氯化铽溶液后，搅拌澄清，并在不断搅拌的条件下滴加少量三乙胺，调节溶液PH至6-7（有机碱三乙胺的作用），反应一段时间（20分钟）后，再缓慢加入1 mmol第二配体1，10-邻菲啰啉的乙醇溶液，搅拌，会有白色沉淀生成，继续搅拌一段时间使反应完全（20 分钟）。使用沙板漏斗抽滤沉淀得到的滤饼即为产物稀土配合物。为了洗涤干净产物中附着的未反应原料，将生成的稀土配合物用乙醇洗涤抽滤2次（每次10ml乙醇）。
所制备的配合物结构如下图所示。
五、结果与讨论
1.荧光分析
-4
称取4mg配合物样品溶解于二氯甲烷中。配制成浓度为10的样品溶液，采用最佳激发波长280nm激发光激发样品溶液，于荧光分光光度计光谱测得配合物的荧光发射光谱图，如图1所示。
180160140120285.8Intensity/(a.u)100806040200-20200250300350400wavelength/nm
（a）Tb配合物的 ex光谱图
1801601401205D4-F5544.87Intensity/(a.u)100806040200-204005D4-F6490.275D4-F47D4-F3584.4621.657450500550600650700750800850wavelength/nm
（b）Tb配合物的 em光谱图
图1
由发射谱图中可以看出，在紫外到可见区有4个吸收峰，分别为位于490.2、544.8、
5757575757
584.4、621.6的发光峰，分别对应于D4-F6、D4-F5、D4-F4和D4-F3，其中以D4-F（5544.8nm）的跃迁最强，配合物的荧光呈现绿色。在544.8nm左右产生唯一的窄而强的特征吸收，说明配体在吸收光能后将能量传递给了稀土离子，使得发光中心Tb有荧光增强作用，又进一步说明了配体和稀土金属发生了配位，而不是简单的掺杂；且其周围没有其他吸收，表明配合物的荧光主要以544.8 nm成分为主，单色性非常好。 2.紫外分析
以二氯甲烷为溶剂，测定了游离配体和稀土配合物的紫外光谱。
3.02.52.01.51.00.50.0200232Absorbance278250300350400450wavelength/nm
（a）乙酰水杨酸的紫外光谱图
0.60.50.4230262Absorbance0.30.20.10.0-0.1200250300350400450wavelength/nm
（b）邻菲罗啉的紫外光谱图
2.01.81.61.4230Absorbance1.21.00.80.60.40.20.0-0.2200270290250300350400450wavelength/nm
（c）Tb配合物的紫外光谱图