Техніка та енергетика

ЛЮМІНЕСЦЕНТНІ КОНВЕРТЕРИ НА ОСНОВІ КОМПОЗИТНИХ ПЛІВОК «НАНОЦЕЛЮЛОЗА + K3TB(PO4)2:EU»

Володимир Васильович Бойко, Віталій Петрович Чорній, Сергій Герасимович Неділько, Катерина Володимирівна Теребіленко
Завантажити статтю
Анотація

Перевагами целюлози та її похідних, як новітніх матеріалів для пристроїв, що виробляють, накопичують та перетворюють електроенергію є їх дешивизна, екологічність, легкість утилізації та можливість виготовлення різними способами і з різної сировини, в тому числі, і з відходів агропромисловості. Саме тому їх дослідження як матеріалів для сучасної техніки та електроніки є актуальним. Метою цієї роботи було з’ясування люмінесцентних характеристик композиційних плівок, виготовлених на основі наноцелюлози та полікристалічного оксиду K3Tb0,9Eu0,1(PO4)2. Оптична мікроскопія та спектрально-люмінесцентний метод були застосовані для характеризації виготовлених плівок та їх вихідних компонент. З’ясовано, що кристаліти з середнім розміром близько 50 mм розподілені досить рівномірно у плівці «наноцелюлоза+K3Tb0,9Eu0,1(PO4)2». Для досліджених зразків у формі суспензій спостерігалась смуга Раманівського розсіяння світла з максимумом на 564 нм при лазерному збудженні на 473 нм. Інтенсивність фотолюмінесценції наноцелюлози у вигляді суспензії та в плівках є низькою в порівнянні зі свіченням оксиду як наповнювача. Свічення іонів Eu3+ є інтенсивним в червоній області спектра. Обчислені значення ступеня асиметричності вказують на низьку симетрію позицій, які займають іони європію в оксиді та на внесок випромінювання іонів Tb3+ в загальний спектр композитної плівки. За результатами досліджень з’ясовано, що люмінесценцію іонів Eu3+ сенсибілізовано іонами Tb3+, які поглинають збуджуюче світло з подальшою передачею енергії до іонів європію. Положення смуг поглинання іонів Eu3+ та Tb3+ в ультрафіолетовій ділянці спектра та інтенсивне випромінювання Eu3+ в червоній області вказують на перспективність використання плівок «наноцелюлоза+ K3Tb0,9Eu0,1(PO4)2» для підвищення ефективності сонячних панелей. Тестування плівок при збудженні люмінесценції ультрафіолетовим випромінюванням світлодіоду (λзб=375 нм) показало можливість розробки на їх основі білих світлодіодів. Зокрема, координати колірності світлодіода без покриття становили (х=0,214; у=0,079), а використання плівки – композиту, як покриття, призводить до зміщення координат до червоної області: х=0,304, у=0,196. Одержані результати щодо морфології та люмінесцентних властивостей можуть бути використані для оптимізації складу та умов виготовлення композитних плівок типу «наноцелюлоза+K3Tb0,9Eu0,1(PO4)2» для їх застосування як люмінесцентних конвертерів у світлодіодах або сонячних панелях

Ключові слова

іон, сенсибілізація, світлодіод, сонячна панель, фотолюмінесценція, покриття

ЦИТУВАТИ
Boyko, V., Chornii, V., Nedilko, S., & Terebilenko, K. (2023). Luminescent converters based on nanocellulose + K3Tb(PO4)2:Eu composite films. Machinery & Energetics, 14(2), 80-89. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2023.80
Використані джерела

[1] Ahirwar, R., & Tripathi, A.K. (2021). E-waste management: A review of recycling process, environmental and occupational health hazards, and potential solutions. Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management, 15, article number 100409. doi: 10.1016/j.enmm.2020.100409.

[2] Barbash, V.A., Yashchenko, O.V., & Vasylieva, O.A. (2019). Preparation and properties of nanocellulose from miscanthus x giganteus. Journal of Nanomaterials, 2019, article number 3241968. doi: 10.1155/2019/3241968.

[3] Beran, A., Voll, D., & Schneider, H. (2001). Dehydration and structural development of mullite precursors: An FTIR spectroscopic study. Journal of the European Ceramic Society, 21(14), 2479-2485. doi: 10.1016/S0955-2219(01)00265-5.

[4] Bettinelli, M., Speghini, A., Ferrari, M., & Montagna, M. (1996). Spectroscopic investigation of zinc borate glasses doped with trivalent europium ions. Journal of Non-Crystalline Solids, 201(3), 211-221. doi: 10.1016/0022-3093(96)00134-2.

[5] Binnemans, K. (2009). Lanthanide-based luminescent hybrid materials. Chemical Reviews, 109(9), 4283-4374. doi: 10.1021/cr8003983.

[6] Bondar, I.I., Suran, V.V., Mynya, O.Y., Shuaibov, O.K., Shevera, I.V., & Krasilinets, V.M. (2021). Formation of structured films upon irradiation of an aqueous solution of copper sulphate with high-power laser radiatio. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series “Physics”, 49, 43-47.

[7] Bu, X., Liu, Y.G., & Chen, J. (2022). Band structure, photoluminescent properties, and energy transfer behavior of a multicolor tunable phosphor K3Lu(PO4)2: Tb3+,Eu3+ for warm white light-emitting diodes. Journal of Luminescence, 251, article number 119133. doi: 10.1016/j.jlumin.2022.119133.

[8] Choe, D., Kim, Y.M., Nam, J.E., Nam, K., Shin, C.S., & Roh, Y.H. (2018). Synthesis of high-strength microcrystalline cellulose hydrogel by viscosity adjustment. Carbohydrate polymers, 180, 231-237. doi: 10.1016/j.carbpol.2017.10.017.

[9] Choi, S.M., Rao, K.M., Zo, S.M., Shin, E.J., & Han, S.S. (2022). Bacterial cellulose and its applications. Polymers, 14(6), article number 1080. doi: 10.3390/polym14061080.

[10] Dorenbos, P. (2000). The 4fn↔ 4fn−15d transitions of the trivalent lanthanides in halogenides and chalcogenides. Journal of Luminescence, 91(1-2), 91-106. doi: 10.1016/S0022-2313(00)00197-6.

[11] Fang, Z., Zhang, H., Qiu, S., Kuang, Y., Zhou, J., Lan, Y., Sun, C., Li, G., Gong, S., & Ma, Z. (2021). Versatile wood cellulose for biodegradable electronics. Advanced Materials Technologies, 6(2), article number 2000928. doi: 10.1002/admt.202000928.

[12] Farmer, J.M., Boatner, L.A., Chakoumakos, B.C., Rawn, C.J., & Richardson, J. (2016). Structural and crystal chemical properties of alkali rare-earth double phosphates. Journal of Alloys and Compounds, 655, 253-265. doi: 10.1016/j.jallcom.2015.09.124.

[13] Forti, V., Baldé, C.P., Kuehr, R., & Bel, G. (2020). The global e-waste monitor 2020. Retrieved from https://ewastemonitor.info/wp-content/uploads/2020/11/GEM_2020_def_july1_low.pdf

[14] Gan, J., Wu, Y., Yang, F., Zhang, H., Wu, X., Wang, Y., & Xu, R. (2022). Wood-cellulose photoluminescence material based on carbon quantum dot for light conversion. Carbohydrate Polymers, 290, article number 119429. doi: 10.1016/j.carbpol.2022.119429.

[15 Gemeda, G.F., Etefa, H.F., Hsieh, C.C., Kebede, M.A., Imae, T., & Yen, Y.W. (2022). Preparation of ZnO/NiO-loaded flexible cellulose nanofiber film electrodes and their application to dye-sensitized solar cells. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, 3, article number 100213. doi: 10.1016/j.carpta.2022.100213.

[16] Indriyati, I., Irmawati, Y., & Puspitasari, T. (2019). Comparative study of bacterial cellulose film dried using microwave and air convection heating. Journal of Engineering and Technological Sciences, 51(1), 121-132. doi: 10.5614/j.eng.technol.sci.2019.51.1.8.

[17] Kim, S., Jahandar, M., Jeong, J.H., & Lim, D.C. (2019). Recent progress in solar cell technology for low-light indoor applications. Current Alternative Energy, 3(1), 3-17. doi: 10.2174/1570180816666190112141857.

[18] Liu, X., Huang, K., Lin, X., Li, H., Tao, T., Wu, Q., Zheng, Q., Huang, L., Ni, Y., Chen, L., Ouyang, X., & Li, J. (2020). Transparent and conductive cellulose film by controllably growing aluminum doped zinc oxide on regenerated cellulose film. Cellulose, 27, 4847-4855. doi: 10.1007/s10570-020-03147-0.

[19] Mikhailik, V.B., Kraus, H., & Dorenbos, P. (2009). Efficient VUV sensitization of Eu3+ emission by Tb3+ in potassium rare‐earth double phosphate. Physica Status Solidi (RRL)–Rapid Research Letters, 3(1), 13-15. doi: 10.1002/pssr.200802211.

[20] Nedielko, M., Hamamda, S., Alekseev, O., Chornii, V., Dashevskii, M., Lazarenko, M., Kovalov, K., Nedilko, S.G., Tkachov, S., Revo, S., & Scherbatskyi, V. (2017). Mechanical, dielectric, and spectroscopic characteristics of “micro/nanocellulose+ oxide” composites. Nanoscale Research Letters, 12(1), article number 98. doi: 10.1186%2Fs11671-017-1862-x.

[21] Nedielko, M., Alekseev, O., Chornii, V., Kovalov, K., Lazarenko, M., Nedilko, S., Scherbatskyi, V., Boyko, V., & Sheludko, V. (2018). Structure and properties of microcrystalline cellulose “Ceramics-Like” composites incorporated with LaVO4:Sm oxide compound. Acta Physica Polonica A, 133(4), 838-842. doi: 10.12693/APhysPolA.133.838.

[22] Pal, B., Matsoso, J.B., Parameswaran, A.K., Roy, P.K., Lukas, D., Luxa, J., Marvan, P., Azadmanjiri, J., Hrdlicka, Z., Jose, R., & Sofer, Z. (2022). Flexible, ultralight, and high-energy density electrochemical capacitors using sustainable materials. Electrochimica Acta, 415, article number 140239. doi: 10.1016/j.electacta.2022.140239.

[23] Raut, N.C., & Al-Shamery, K. (2018). Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics. Journal of Materials Chemistry C, 6, 1618-1641. doi: 10.1039/C7TC04804A.

[24] Reisfeld, R., Zigansky, E., & Gaft, M. (2004). Europium probe for estimation of site symmetry in glass films, glasses and crystals. Molecular Physics, 102(11-12), 1319-1330. doi: 10.1080/00268970410001728609.

[25] Schanda, J. (Ed.). (2007). Colorimetry: Understanding the CIE system. New Jersey: John Wiley & Sons.

[26] Silveira, W.S., Nascimento, P.A., Silva, A.J., & Rezende, M.V.D.S. (2020). Luminescent properties and energy transfer mechanism from Tb3+ to Eu3+ doped in Y3Al5O12 phosphors. Journal of Alloys and Compounds, 822, article number 153651. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.153651.

[27] Terebilenko, K.V., Bychkov, K.L., Klymyshyna, K.E., Baumer, V.N., Slobodyanik, M.S., Khomenko, E.V., & Dotsenko, V.P. (2017). Single crystals of KRE(MoO4)2, (RE‐Ce, Pr) obtained from fluorides: scheelite‐related structure and luminescence. Crystal Research and Technology, 52(12), article number 1700222. doi: 10.1002/crat.201700222.

[28] Urbina, L., Corcuera, M.Á., Gabilondo, N., Eceiza, A., & Retegi, A. (2021). A review of bacterial cellulose: sustainable production from agricultural waste and applications in various fields. Cellulose, 28(13), 8229-8253. doi: 10.1007/s10570-021-04020-4.

[29] Veleschuk, V., Vlasenko, A., Vlasenko, Z., Petrenko, I., Malyi, Y., Borshch, V., Borshch, O., & Shefer, A. (2019). Current-voltage characteristic and electroluminescence of UV LEDs 365 nm at liquid nitrogen temperature. Optica Applicata, 49(1), 125-133. doi: 10.5277/oa190111.

[30] Wang, Q., Sun, J., Yao, Q., Ji, C., Liu, J., & Zhu, Q. (2018). 3D printing with cellulose materials. Cellulose, 25, 4275-4301. doi: 10.1007/s10570-018-1888-y.

[31] Wang, P., Yin, Y., Fang, L., He, J., Wang, Y., Cai, H., Yang, Q., Shi, Z., & Xiong, C. (2023). Flexible cellulose/PVDF composite films with improved breakdown strength and energy density for dielectric capacitors. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 164, article number 107325. doi: 10.1016/j.compositesa.2022.107325.

[32] Xie, F., Li, J., Dong, Z., Wen, D., Shi, J., Yan, J., & Wu, M. (2015). Energy transfer and luminescent properties of Ca8MgLu(PO4)7: Tb3+/Eu3+ as a green-to-red color tunable phosphor under NUV excitation. RSC Advances, 5(74), 59830-59836. doi: 10.1039/C5RA08680A.

[33] Zhao, D., Zhu, Y., Cheng, W., Chen, W., Wu, Y., & Yu, H. (2021). Cellulose‐based flexible functional materials for emerging intelligent electronics. Advanced materials, 33(28), article number 2000619. doi: 10.1002/adma.202000619.

[34] Zhu, X., Jiang, G., Wang, G., Zhu, Y., Cheng, W., Zeng, S., Zhou, J., Xu, G., & Zhao, D. (2023). Cellulose-based functional gels and applications in flexible supercapacitors. Resources Chemicals and Materials, 2(2), 177-188. doi: 10.1016/j.recm.2023.03.004.

[35] Zou, C., Qu, D., Jiang, H., Lu, D., Ma, X., Zhao, Z., & Xu, Y. (2019). Bacterial cellulose: A versatile chiral host for circularly polarized luminescence. Molecules, 24(6), article number 1008. doi: 10.3390/molecules24061008.

[36] Zhuravlov, O.Yu., Shyian, O.V., Shirokov, B.M., Kolodiy, I.V., & Sholohov, S.M. (2021). Sublimation process for obtaining silicon films from molybdenum and tungsten disilicide. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series “Physics”, 49, 48-53. 

[37] Zuo, C., Zhou, Z., Zhu, L., Xiao, A., Chen, Y., Zhang, X., Zhuang, Y., Li, X., & Ge, Q. (2015). Luminescence properties of Tb3+-doped borosilicate scintillating glass under UV excitation. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 147, 324-327. doi: 10.1016/j.saa.2015.03.097.