植物补光用氧化物基发光材料的制备及性能研究

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在植物生长五大要素中,光尤为重要,它不仅为光合作用提供能量,同时参与并影响着植物开花、结果等各个生长阶段。光对植物生长起作用的前提是被吸收。植物体中的光受体包括参与光合作用的叶绿素、类胡萝卜素,以及影响光形态建成的光敏色素、隐花素、向光素等光敏受体。叶绿素吸收蓝光和红橙光,类胡萝卜素吸收蓝光,光敏色素吸收红光和深红光,隐花素和向光素可以吸收蓝光,而太阳光中的紫外光、绿光以及黄光则很少被吸收,由此可见,植物的光能利用率(LUE)并不高。设法将太阳光谱中无法被植物吸收的光转化为光合作用所需要的红蓝光,能够提高光能利用率,进而加速植物生长。针对目前植物补光用发光材料存在的发射光谱与光合作用吸收光谱不匹配等问题,本论文设计制备了两种氧化物基发光材料,系统研究了其发光性能,并以小球藻为对象进行了生长实验。具体研究内容及主要结果如下:(1)通过高温固相法设计并合成了两种低成本的新型混合荧光粉:Al2O3:Cr3+/Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce3+)和Al2O3:Cr3+/(Ba,Sr)2Si O4:Eu2+(BOSE:Eu2+),期待通过光子的传递增强蓝光区域的激发强度和整体的发射强度。利用扫描电镜观察了样品的形貌,发现样品颗粒的形状不规则、其粒径均在μm量级。利用光谱表征研究了样品的发光性能,Al2O3:Cr3+/YAG:Ce3+在蓝光激发下的发射强度最强,Al2O3:Cr3+/BOSE:Eu2+次之,Al2O3:Cr3+最弱。Al2O3:Cr3+/YAG:Ce3+样品拥有覆盖325-650 nm的超宽激发谱;发射峰位于696 nm,属于深红光;量子产率和热稳定性也有所提高。利用氙灯模拟太阳光测试了样品的全反射光谱,以探讨样品用作太阳光转换材料的可行性。进行了小球藻生长实验,7天后小球藻生物量比对照组增加9.7%,表明在阳光下Al2O3:Cr3+/YAG:Ce3+样品可以有效促进植物生长。(2)选取Ba3CaK(PO4)3为初始对象,用Rb+部分取代K+,以Eu2+为敏化剂、Mn2+为激活剂,制备了Ba3CaK0.6Rb0.4(PO4)3:Eu2+,Mn2+(BCKRP:Eu2+,Mn2+)样品。研究了BCKRP的晶体结构,发现结构中存在5种可供Eu2+占据的阳离子位点,因此发射光谱可分解为5个高斯峰,分析了Eu2+的5种格位与高斯峰的对应关系。对BCKRP:Eu2+,Mn2+的光谱进行了表征,样品激发光谱的范围在240-450 nm,而发射光谱内存在两个峰,峰值分别位于460 nm和620 nm,归因于Eu2+的5d→4f跃迁和Mn2+的~4T1→~6A1跃迁。测试了样品的热稳定性,发现Mn2+的热稳定性一般,而Eu2+的发射强度随温度呈线性变化。通过衰减寿命的测试证明了Eu2+、Mn2+间存在能量传递,机制为偶极-偶极相互作用。Eu2+和Mn2+的共掺杂使得样品具有红、蓝双发射,为验证其对植物生长的促进作用,进行了小球藻生长实验,结果表明该样品可有效促进小球藻繁殖。
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