DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33503-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41611750
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Mariam Sh. Gohr وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في توليد الضوء الأبيض من بلورات نانوية من زيف-8 المخدرة بالهولميوم (Ho) التي تم تصنيعها من خلال طريقة كيميائية رطبة بسيطة في درجة حرارة الغرفة. تدرس الدراسة تأثيرات تركيزات Ho المتغيرة والمعالجة الحرارية على الخصائص الهيكلية والبصرية للبلورات النانوية. تؤكد تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM) على الهيكل البلوري النانوي من السودالايت، بينما تكشف التحليلات الحرارية (TGA) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) عن سلوك التحلل لزيف-8 بسبب دمج Ho والتكلس الحراري. تظهر قياسات الفوتولومينسنس (PL)، التي أجريت عند أطوال موجية تحفيزية تبلغ 445 نانومتر و355 نانومتر، توهجًا شديدًا، خاصة من العينات المعالجة حراريًا، مما يؤدي إلى انبعاث الضوء الأبيض الملحوظ.
تخلص الدراسة إلى أنه تم تصنيع زيف-8 غير المخدر ونسب مولية مختلفة (1-5%) من مركبات زيف-8 المخدرة بالهولميوم بنجاح عبر تقنية الترسيب الكيميائي المشترك. تشير التحليلات الهيكلية إلى تدهور ميكروهيكلي طفيف بسبب التخدير والمعالجة الحرارية، مما يؤثر بشكل إيجابي على استجابة التوهج. من الجدير بالذكر أن المركبات النانوية المعالجة حراريًا تظهر انبعاث الضوء الأبيض عند التحفيز بالليزر عند 355 نانومتر. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات الفوسفورات النانوية المخدرة بعناصر الأرض النادرة من زيف-8 لتطبيقات الإضاءة، مما يبرز أهميتها في تطوير مواد متقدمة لإصدار الضوء.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تضمنت المواد المستخدمة نترات الزنك (II) سداسية الماء ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$، 99%)، الميثانول ($\text{CH}_3\text{OH}$، 99% درجة تحليل HPLC)، 2-ميثيل إيميدازول ($\text{C}_4\text{H}_6\text{N}_2$، 99%)، ونترات الهولميوم (III) خماسية الماء ($\text{Ho(NO}_3\text{)}_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$، 99%)، جميعها مصدرها سيغما-ألدريتش. كانت هذه المواد الكيميائية ذات نقاء تحليلي وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تم إجراء التجارب باستخدام ماء منزوع الأيونات لضمان سلامة النتائج.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن رؤى مهمة حول الخصائص الهيكلية والبصرية لبلورات زيف-8 النانوية المخدرة بالهولميوم (Ho)، سواء في شكلها المصنوع (As) أو المعالج حراريًا (TA). تؤكد تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) أن إطار زيف-8 يبقى إلى حد كبير سليمًا عند تخدير Ho، مع قمم حيود تتوافق مع المستويات (110)، (200)، (211)، (220)، (310)، و(222). ومع ذلك، يؤدي زيادة تركيز Ho إلى تدهور في شدة XRD، ولاحظ بشكل خاص في عينة زيف-8 (3% Ho)_As، مما يشير إلى تقليل في النظام القصير المدى وتشوه هيكلي محتمل. تشير طريقة ويليامسون-هول إلى أن تخدير Ho يزيد من حجم البلورات بينما يقلل من الإجهاد الميكروي، مما يشير إلى استرخاء في شبكة البلورة. بعد المعالجة الحرارية، تظهر عينة زيف-8 (3% Ho)_TA استقرارًا هيكليًا محسنًا، مع تقليل كثافة الانزياح والإجهاد الميكروي مقارنةً بالعينات الأخرى.
توضح خرائط التحليل الطيفي للطاقة المشتتة (EDS) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) التوزيع العنصري والروابط الكيميائية داخل العينات. تؤكد EDS على توزيع متجانس لأيونات Ho، بينما تشير طيف FTIR إلى تغييرات في الهيكل الكيميائي بسبب تخدير Ho، خاصة في المنطقة المرتبطة باهتزازات الشد Zn-N. تظهر التحليلات الحرارية (TGA) أن تخدير Ho يقلل من الاستقرار الحراري لزيف-8، حيث تظهر العينات المخدرة مقاومة أكبر لفقدان الوزن بعد التكلس. تكشف صور ميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM) أنه بينما تحافظ التركيزات المنخفضة من Ho على الشكل متعدد الأوجه لزيف-8، تؤدي التركيزات العالية إلى التكتل والتشوه الهيكلي. تشير قياسات الفوتولومينسنس (PL) إلى أن المعالجة الحرارية تعزز بشكل كبير من شدة PL، حيث تظهر عينة زيف-8 (3% Ho)_TA أعلى شدة وطيف انبعاث واسع، مما يشير إلى تفاعل معقد بين الإطار المضيف والمخدر في تسهيل عمليات نقل الشحنة. بشكل عام، تؤكد النتائج على تأثير تخدير Ho والمعالجة الحرارية على سلامة الهيكل والخصائص البصرية لبلورات زيف-8 النانوية، مع تداعيات لتطبيقاتها المحتملة في الأجهزة البصرية الإلكترونية.
نقاش
في هذه الدراسة، تم تصنيع بلورات زيف-8 النانوية غير المخدرة والمخدرة بالهولميوم (Ho) باستخدام طريقة الترسيب الكيميائي المشترك. تضمنت عملية التصنيع خلط نترات الزنك سداسية الماء و2-ميثيل إيميدازول في الميثانول، تليها إضافة كميات متغيرة من نترات الهولميوم. تم إخضاع المنتجات الناتجة للطرد المركزي، والغسل، والتجفيف، مع خضوع بعض العينات للتسخين الحراري عند 350 درجة مئوية لتقييم تأثيرات المعالجة الحرارية على خصائصها.
تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، وميكروسكوب الإلكترون الناقل عالي الدقة (HRTEM)، والتحليل الحراري (TGA)، لتحليل الخصائص الهيكلية والحرارية للبلورات النانوية. كشفت النتائج أن التخدير والمعالجة الحرارية أدت إلى تدهور ميكروهيكلي طفيف لزيف-8، ومع ذلك، عززت هذه التعديلات خصائص التوهج لمركبات النانو. من الجدير بالذكر أن زيف-8 المخدر بالهولميوم المعالج حراريًا أظهر انبعاث الضوء الأبيض تحت التحفيز بالليزر عند 355 نانومتر، مما يبرز إمكانيات تخدير عناصر الأرض النادرة في الفوسفورات النانوية من زيف-8 لتطبيقات الإضاءة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33503-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41611750
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Mariam Sh. Gohr et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Overview
This research investigates the generation of white light from Holmium (Ho)-doped ZIF-8 nanocrystals synthesized through a simple wet chemical method at room temperature. The study examines the effects of varying Ho concentrations and thermal treatment on the structural and optical properties of the nanocrystals. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD) and Transmission Electron Microscopy (TEM) confirm the sodalite nanocrystalline structure, while Thermogravimetric Analysis (TGA) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) reveal the degradation behavior of ZIF-8 due to Ho incorporation and thermal calcination. Photoluminescence (PL) measurements, conducted at excitation wavelengths of 445 nm and 355 nm, demonstrate intense luminescence, particularly from heat-treated samples, leading to observable white light emission.
The study concludes that undoped ZIF-8 and various mole ratios (1-5%) of Ho-doped ZIF-8 nanocomposites were successfully synthesized via a chemical co-precipitation technique. The structural analysis indicates mild microstructural degradation due to doping and heat treatment, which positively influences the luminescence response. Notably, the annealed nanocomposites exhibit white light emission upon laser excitation at 355 nm. These findings underscore the potential of rare-earth element-doped ZIF-8 nanophosphors for lighting applications, highlighting their significance in the development of advanced light-emitting materials.
Methods
In the experimental section of the study, the materials utilized included Zinc (II) nitrate hexahydrate ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$, 99%), methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$, 99% HPLC analytical grade), 2-methylimidazole ($\text{C}_4\text{H}_6\text{N}_2$, 99%), and Holmium nitrate (III) pentahydrate ($\text{Ho(NO}_3\text{)}_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$, 99%), all sourced from Sigma-Aldrich. These chemicals were of analytical purity and were employed without further purification. The experiments were conducted using deionized water to ensure the integrity of the results.
Results
The results of the study reveal significant insights into the structural and optical properties of Holmium (Ho)-doped ZIF-8 nanocrystals, both in their as-synthesized (As) and thermally annealed (TA) forms. X-ray diffraction (XRD) analysis confirms that the ZIF-8 framework remains largely intact upon Ho doping, with diffraction peaks corresponding to the (110), (200), (211), (220), (310), and (222) planes. However, an increase in Ho concentration leads to a degradation in XRD intensity, particularly noted in the ZIF-8 (3% Ho)_As sample, indicating a reduction in short-range order and potential structural deformation. The Williamson-Hall method indicates that Ho doping increases crystallite size while reducing microstrain, suggesting a relaxation of the crystal lattice. Post-thermal treatment, the ZIF-8 (3% Ho)_TA sample exhibits improved structural stability, with reduced dislocation density and microstrain compared to other samples.
Energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy further elucidate the elemental distribution and chemical bonding within the samples. EDS confirms a homogeneous distribution of Ho ions, while FTIR spectra indicate changes in the chemical structure due to Ho doping, particularly in the region associated with Zn-N stretching vibrations. Thermogravimetric analysis (TGA) shows that Ho doping decreases the thermal stability of ZIF-8, with doped samples exhibiting greater resistance to weight loss post-annealing. Transmission electron microscopy (TEM) images reveal that while lower concentrations of Ho maintain the polyhedral morphology of ZIF-8, higher concentrations lead to agglomeration and structural distortion. Photoluminescence (PL) measurements indicate that thermal treatment significantly enhances PL intensity, with the ZIF-8 (3% Ho)_TA sample exhibiting the highest intensity and a broad emission spectrum, suggesting a complex interplay between the host framework and the dopant in facilitating charge transfer processes. Overall, the findings underscore the influence of Ho doping and thermal treatment on the structural integrity and optical properties of ZIF-8 nanocrystals, with implications for their potential applications in optoelectronic devices.
Discussion
In this study, undoped and holmium (Ho)-doped ZIF-8 nanocrystals were synthesized using a chemical co-precipitation method. The synthesis involved mixing zinc nitrate hexahydrate and 2-methylimidazole in methanol, followed by the addition of varying amounts of holmium nitrate. The resulting products were subjected to centrifugation, washing, and drying, with some samples undergoing thermal annealing at 350 °C to assess the effects of heat treatment on their properties.
Characterization techniques, including powder X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and thermogravimetric analysis (TGA), were employed to analyze the structural and thermal properties of the nanocrystals. The findings revealed that doping and thermal treatment led to mild microstructural degradation of ZIF-8, yet these modifications enhanced the luminescence properties of the nanocomposites. Notably, the annealed Ho-doped ZIF-8 exhibited white light emission under laser excitation at 355 nm, highlighting the potential of rare-earth element doping in ZIF-8 nanophosphors for lighting applications.