植物生長補光用LED熒光粉的研究進展_汪沁馨.pdf

第 卷第 期 年 月 應(yīng) 用 化 工 收稿日期 修改稿日期 基金項目 國家自然科學(xué)基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目 全國建材行業(yè)重大科技攻關(guān)項目 江蘇省重點研發(fā)計劃項目 材料化學(xué)工程國家重點實驗室自主課題 江蘇 省自然科學(xué)基金項目 宿遷市科技計劃項目 江蘇省研究生科研計劃項目 作者簡介 汪沁馨 女 安徽安慶人 在讀碩士 師從崔升教授 電話 通信作者 崔升 男 博導(dǎo) 教授 植物生長補光用 熒光粉的研究進展 汪沁馨 趙洋 徐世玉 劉光熙 袁美玉 崔升 王海波 南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇南京 南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所 江蘇南京 摘 要 光是植物生長所需的基本要素之一 但在太陽光照下并非所有波段的光都可利用 同時 隨植物工廠等室 內(nèi)栽培需求的增多 如何精準(zhǔn)補光并調(diào)控植物生長就成了重要的研究命題 普通補光光源能耗大且利用率低 基 于此 光源孕育而生 該光源主要是由熒光粉與 芯片組合而成 通過不同熒光粉對光質(zhì)的控制實現(xiàn)植物生 長調(diào)控 因此 基于植物色素吸收波段 從 芯片結(jié)合藍 紅熒光粉入手 在簡述光譜調(diào)控植物生長原理的基礎(chǔ) 上 從發(fā)光性能等對藍 深紅光 遠紅光熒光粉的研究進展進行綜述 并展望了該方向的研究前景 關(guān)鍵詞 藍 紅熒光粉 植物生長補光 發(fā)光性能 植物色素 中圖分類號 文獻標(biāo)識碼 文章編號 植物生長離不開多重因素的影響 光照作為其 中的基本要素 以能量或信號的方式影響著植物的 生長 對于植物而言主要吸收的僅為太陽光中 的藍光與紅光 因此 如何精準(zhǔn)補光實現(xiàn)植物生 長調(diào)控就成為了重要的研究命題 常見的補光光源效率差且發(fā)射光與植物所需 波長不能完美重合 產(chǎn)生浪費 而 發(fā)光二極 管 不僅節(jié)能環(huán)保 還有極高的補光效率和普適性 植物利用率可達到 以上 作為一種綠色半 導(dǎo)體照明設(shè)備 用作植物生長補光時主要是熒光粉 與藍 紫外 芯片組合而成 一般是采用藍 色 紅色和遠紅光熒光粉與相應(yīng) 芯片結(jié)合 通 過調(diào)控不同熒光粉的發(fā)光特性進行補光 基于此 根據(jù) 組合方式以及植物吸收特性 本文在簡述 光譜對植物生長調(diào)控的原理后 重點從發(fā)光特性對 植物生長補光用 藍 紅熒光粉的研究進展進行 綜述 并對該方向未來進行展望 光譜調(diào)控植物生長原理 通常所述環(huán)境中的光因素包括 光質(zhì) 光強 光 周期 通過三者協(xié)作可有效對植物生長進行控 制 植物主要是吸收波長中心為 的藍光 的深紅光 與 的遠紅光 通過體內(nèi)色素對上述光質(zhì)將進行吸收響 應(yīng) 見表 進而影響著植物的生長發(fā)育 光合作 用 光形態(tài)建成 物質(zhì)代謝甚至基因表達等過程 見 DOI 10 16581 ki issn1671 3206 2025 06 001 應(yīng)用化工第 卷 圖 甚至對植株的產(chǎn)量也有不同程度的影響 表 部分植物色素的對應(yīng)光波長 植物色素藍光 峰值波長 紅光 峰值波長 綠光 葉綠素 葉綠素 光敏色素 光敏色素 光合作用區(qū) 光合作用無效區(qū) 圖 藍光 深紅和遠紅光對植物的部分促進效果 藍光效應(yīng) 藍光對植物的調(diào)控來源于向光素 隱花色素 葉綠素等對特定波長光的吸收響應(yīng) 通過色素介導(dǎo) 植物的向光反應(yīng) 不定根產(chǎn)生 氣孔開放 葉 綠體聚集和回避等植物器官與細胞器運動 也可 以快速抑制莖的生長 促進生物量 等 在藍光條件下培養(yǎng)小白菜 發(fā)現(xiàn)小白菜的葉綠素 糖含量及健康化合物含量例如酮類 酚類物質(zhì)等都 明顯增多 即藍光對植物的生物積累有明顯的促進 作用 尤其是植物多酚類物質(zhì) 紅光效應(yīng) 紅光對植物的具體調(diào)控是通過光敏色素 響應(yīng)來進行的 在植物體內(nèi)有兩種穩(wěn)定形式 深 紅光吸收型 和遠紅光吸收型 二者是可逆 的 圖 通過調(diào)節(jié)深 遠紅光的比例 可以控 制兩種 的比值 進而對植株的生長進行調(diào) 控 遠紅光可以促進植株節(jié)間增長以及葉片面積 減小 而深紅光則起到相反的抑制和增大效果 等 探究紅外光對向日葵植株的影響 結(jié)果 與上述結(jié)論一致 此外 對種子的發(fā)芽 幼苗 和莖的生長和開花等過程都有一定的控制作用 圖 與 的轉(zhuǎn)換示意圖 藍光與紅光效應(yīng)對比 紅光對植物的調(diào)控效果與藍光相比明顯不同 有時甚至背道而馳 例如 等 認(rèn)為藍光促進 葉綠素含量的積累 而 等 則證明紅光對葉綠 素的積累有抑制作用 等 探究了兩種光質(zhì) 共同對矮牽?；ㄉL的干預(yù)情況 結(jié)果表明 圖 藍光明顯降低了紅光對植株高度 葉片面積的促進 作用 因此 不同 或相同 植株的不同生長階段都 需要不同的光質(zhì)比來達到理想狀態(tài) 通過特定的 熒光粉使 發(fā)射出特定波長的光 對植物的生理 和生化反應(yīng)精準(zhǔn)調(diào)控 誘導(dǎo)植株有利特征的增多 可達到精準(zhǔn)補光的目的 圖 不同光質(zhì)對矮牽?；?天竺葵 彩葉草植株 生長影響 植物生長補光用藍 紅 熒光粉的研 究進展 常見植物生長補光用 光源是利用芯片來 激發(fā)熒光粉 熒光粉接收光激發(fā)后轉(zhuǎn)換為特定波長 的光 該光被植物色素接收響應(yīng)從而控制其生長過 程 其中 熒光粉由基質(zhì)與激活劑構(gòu)成 通過改變 二者實現(xiàn)熒光粉的發(fā)光可調(diào) 評判某一熒光粉的實用性 除熒光粉的發(fā)光光 譜與植物色素吸收帶重合外 芯片通過電流最 高升溫至 使熒光粉發(fā)生熱淬滅 因此其熱穩(wěn) 定性也是評價標(biāo)準(zhǔn)之一 根據(jù)植物的色素吸收帶 可以通過選用藍色 紅色和遠紅色熒光粉來實現(xiàn)植 物精準(zhǔn)補光 藍色熒光粉 藍光波段對植株光合作用與光形態(tài)建成有著 重要影響 現(xiàn)有商用藍色熒光粉是以 摻雜鋁酸 鹽基質(zhì)形成的 發(fā) 第 期汪沁馨等 植物生長補光用 熒光粉的研究進展 光來源于 躍遷 稀土離子帶來較 高的發(fā)光效率與色純度 但其較弱的紫外光吸收 熱穩(wěn)定性與色素吸收帶匹配度等不足以作為理想 的補光來源 特殊的電子排位 使 宇稱允許躍遷為主導(dǎo) 暴露在外的 軌 道使其發(fā)光性能關(guān)聯(lián)于局域環(huán)境變化 因此晶體場 優(yōu)化策略成為 的性能強化的主要途徑 表 對部分藍色熒光粉性能進行對比 表 部分藍色熒光粉性能對比 加粗為監(jiān)測波長 熒光粉組成激發(fā) 中心 發(fā)射 中心 半高峰寬 熱穩(wěn)定性參考文獻 基于同一發(fā)光中心 從宏觀來看 不同 基質(zhì)為 提供了不同的局域場環(huán)境 實現(xiàn)了性能 優(yōu)化 等 用 取代 以 為基 質(zhì) 成功合成 共存的熒光粉 在藍光區(qū)域 由于 的存在發(fā)生 躍遷 形成以 為中心的 峰 可被類胡蘿卜素和 葉綠素吸收 圖 對基質(zhì)離子的取代產(chǎn)生了 藍光發(fā)射 但低波長發(fā)光與窄 限制了熒光材 料與 芯片匹配以及 與植物色素吸收帶的重 合 因此僅靠宏觀基質(zhì)替換實現(xiàn)熒光材料的性能強 化是遠遠不夠的 圖 的 光譜 與色素吸收帶重合示意圖 從微觀角度 在基質(zhì)中設(shè)計不同多面體控制離 子的發(fā)光位點 可進一步更改晶體場實現(xiàn)理想的可 調(diào)諧發(fā)光 等 通過高溫固相法使 占據(jù) 個 位形成 熒光粉 相較于 明顯變寬 圖 等 利用 和 為原料形成中間固溶體 取代 峰位于 具 有優(yōu)異的耐高溫性 將其組裝為 進行補光測 試 與葉綠素 分別有 和 的重 合度 圖 的 與 光譜 激發(fā)下的 高斯擬合圖 與 類似 具有 電子構(gòu)型的 失 去 個電子形成 通過自旋耦合分裂成 亞能級 在能量激發(fā)下電子躍遷至 外的 軌道 使其同樣受限于晶體場變化 而硅酸鹽產(chǎn)生 連續(xù)晶體場變化有效調(diào)控了其 能級分裂 常被用 來作為對應(yīng)基質(zhì) 等 以具有 個 位的 單斜硅酸鹽作為基質(zhì) 通過 占據(jù)不同發(fā)光中 心 不同波長下實現(xiàn)了熒光粉的發(fā)光可調(diào) 發(fā) 光強度 可達初始 的 在 激發(fā)下 發(fā)射出 為中心的藍光 具有一定的應(yīng)用潛力 應(yīng)用化工第 卷 圖 等 同樣制備了 并 添加預(yù)燒過程實現(xiàn)結(jié)構(gòu)強化 使其在 下 還 能保持 的 圖 在不同激發(fā)波長的 圖和 圖 不同溫度和激發(fā)光下 的 光譜圖 相較而言 具有裸露電子排序的過渡金屬對晶 體場環(huán)境的敏感性更為明顯 也具有更大的 這對吸收帶的覆蓋來說是有利的 以具有 裸露 層的 為例 躍遷使其對近紫 外區(qū)產(chǎn)生強吸收 與 芯片高度適配 等 設(shè)計 激活 使其同時取代 和 占據(jù) 和 在不同激發(fā)波長下 實現(xiàn)可調(diào)諧發(fā)射 并具有相對 更寬 以及對葉綠素吸收帶更高的重合度 圖 優(yōu)異的熱穩(wěn)定性 通過器件組合后用于植物補光 有效促進了種子萌發(fā) 圖 的 和 圖 的高斯擬合圖 與 的 對比圖 歸一化 與植物吸收帶對比圖 第 期汪沁馨等 植物生長補光用 熒光粉的研究進展 但無論是 還是 作為激活劑離子時 與 光譜總會發(fā)生重疊 使 利用率受到限 制 此時 具有 與 躍遷特性的 被考慮作為熒光中心 其相對上述激活離子相 關(guān)研究較少 主要以磷酸鹽為主 等 通過固相 燒結(jié)法合成了 熒光粉 結(jié)果表明 圖 被 激發(fā)后由于 躍遷展現(xiàn)出 雙中心的 峰 與 并未發(fā)生重合 且具 有較高的色純度 但顯而易見 此時 與 雖然避免了重吸收 但和色素吸收帶的重合度減 小 因此 具有理想的 芯片適配度 低重吸 收度 高色素帶重合度以及高熱穩(wěn)定性的藍色熒光 粉仍有待開發(fā) 從而實現(xiàn)植株對熒光粉 的高效 利用 圖 的 與 色坐標(biāo)圖 深紅色熒光粉 植物對深紅光的響應(yīng)主要來自于 的吸收 相較藍色熒光粉而言 近幾年該 熒光粉的研究量明顯增多 這不光是植物需求 還 源于現(xiàn)有白光 中紅色組分缺失的應(yīng)用需求 因此 深紅色熒光粉的研究是極其必要的 而針 對于 的特殊波段 探究離子的躍遷特性發(fā)現(xiàn) 和 均可考慮作為其激活劑離子 其中 具有 與 躍遷 寬泛的 與芯片的高匹配度以及 與 的較高重合度被 首選作為發(fā)光離子 表 對部分深紅色熒光粉性 能進行對比 表 部分深紅色熒光粉性能對比 加粗為監(jiān)測波長 熒光粉 組成 激發(fā)峰中 心 發(fā)射峰中 心 熱穩(wěn) 定性 參考 文獻 眾所周知 由于 的躍 遷使 存在多個窄帶 峰 當(dāng) 占據(jù)反演 對稱中心使 峰占為主導(dǎo) 相反則為 占主導(dǎo) 但對 吸 收而言 后者強于前者是理想的發(fā)光狀態(tài) 因此選 擇合適的基質(zhì)使 占據(jù)非對稱中心是必要的 等 利用 取代 的 位 基質(zhì)電荷轉(zhuǎn)移 與 的 躍遷使其 產(chǎn)生了寬 中 的峰 占主導(dǎo) 同時具有良好的熱穩(wěn)定性 等 利 用高溫固相法合成了 熒光粉 當(dāng) 激發(fā)時 由于 的 躍遷 占據(jù)非反演對稱中心 與植物 吸收帶 較好重合 圖 應(yīng)用化工第 卷 圖 和 的 光譜與色素吸收帶對比圖 對比上述 與 吸收發(fā)現(xiàn)在 仍存 在發(fā)光空缺 無法與 較好重合 具有 和 的 與 可以彌補該波段的不 足 等 利用 取代 制備了 由于基質(zhì)電荷躍遷與 的 形成了 的寬 在 激發(fā)下由于 到 和 的躍遷獲得 了理想波段 與 較好匹配 等 制備了雙 鈣鈦礦基 熒光粉 在 激發(fā)下 發(fā)射出以 為中心的寬峰 同時由于 基 團輻射躍遷發(fā)射出以 為中心的藍光 綜合產(chǎn) 生白光可用于植物補光 圖 圖 與色素吸收帶示意 和 光譜隨溫度變化圖 綜上 無論是 或 總是由具有 較小 的窄帶組合而成 所處波段也無法與 高 度重合 基于此 課題組將 與 共摻 制備了 熒光粉 一方面利用二者躍 遷優(yōu)勢制備了與 高度匹配的熒光材料 另一方面 作為敏化劑離子為 輸送能量實現(xiàn)了 提升 圖 這樣的共摻組合為我們提高 重合度提供 了新的思路 針對 的波段缺失 可利用多 摻 實現(xiàn) 與 重合度的有效提升 圖 能量傳遞機制 與 的吸收對比圖 第 期汪沁馨等 植物生長補光用 熒光粉的研究進展 遠紅光熒光粉 遠紅光對植物的光形態(tài)建成來說是有利的 通 過 吸收對植物進行調(diào)控 是以 為中心 的寬吸收帶 與 產(chǎn)生部分重合 而 植物補光受限于 的比值來控制 因此 選用合適的激活劑離子且 與深紅光區(qū)有較少重 合是必要的 基于此 過渡金屬 和 常被 考慮作為發(fā)光來源 其中 具有 躍遷且發(fā) 光可調(diào)的 與 既較好重合又與 較少重 合 成為了研究的熱點 表 對部分遠紅光熒光粉 的性能進行對比 表 部分遠紅光熒光粉性能對比 加粗為監(jiān)測波長 熒光粉組成激發(fā)中心 發(fā)射中心 半高峰寬 熱穩(wěn)定性 參考文獻 具有 電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬 受限于晶 體場環(huán)境 尤其是場強 具有強晶體場的八面體是 首選 在其作用下分裂出 與 實現(xiàn) 可 調(diào)發(fā)光 而鈣鈦礦就是具有八面體的代表 因此常 與 組合形成理想熒光粉 等 利用雙鈣鈦 礦 為基質(zhì) 取代 中 形成 熒光粉 在 激發(fā)下發(fā)射出以 為中心 的遠紅光 與 較好重合 等 合成 熒光粉 覆蓋 與葉綠素 和 吸收帶匹配良好 時 可達 的 組成 器件并用于大蒜種植展現(xiàn)出了明顯的植 株生長促進作用 等 利用 六方鈣 鈦礦合成熒光粉 與 的吸收較好重合 促進了 小麥生長 圖 圖 的 與 吸收 對比圖 組裝 對大蒜的補光 效果對比以及 熒光燈與 對 小麥促進效果對比圖 具有裸露且未滿 軌道的 與 一致 躍遷過程與場強相關(guān)聯(lián) 當(dāng)其處于強晶體場時通過 躍遷 呈窄帶發(fā)射 相反通過 躍遷 呈寬帶發(fā)射 等 利用固相反應(yīng)成功 制備 熒光粉 在 激發(fā)下由于 躍遷呈現(xiàn)以 為中心的 峰 與 較 好重合 但熱穩(wěn)定性較差 基于晶體場優(yōu)化的多發(fā) 光中心策略 等 通過 作為助燒劑 成功 制備性能優(yōu)異的 取代 與 的 個 下 仍保持 升溫時場環(huán)境產(chǎn)生變化 為主的躍 遷轉(zhuǎn)變成 發(fā)射峰從 到 逐漸變寬 與 較好適配 圖 應(yīng)用化工第 卷 圖 的 與 吸收對比 隨溫度變化圖 針對于 和 尤其是常進行不等價取 代發(fā)光的 而言 基本符合 吸收帶 但熱 穩(wěn)定性的提升有限 基于晶體場優(yōu)化的電荷平衡機 制加入金屬離子引入陷阱 進行能量捕獲 儲存與 輸送 可有效提升熱穩(wěn)定性 等 制備 熒光粉 利用 取代 和 取代 使 變?yōu)榈葍r 的 補償 周圍不平衡 形成了 熱淬滅熒光粉 在 下 為 的 圖 一方面 利用 的陷阱能級捕獲儲存 光能 升溫時將能量輸送給 另一方面由于 作為敏化劑將自身能量傳給 實現(xiàn) 熱淬 滅 等 以 作為敏化劑合成 熒光粉 對 的能量傳遞增強了 同時 與 的吸收有效匹配 是一種具有潛力的 遠紅光補光熒光粉 圖 溫度與 對 不同摻雜熒光粉的 強度變化 的 與色素 吸收帶匹配對比圖 針對于遠紅光熒光粉 由于過渡金屬離子特殊 的電子排位 發(fā)光性能與晶體場緊密關(guān)聯(lián) 尤其是 場強 這是相較于其他熒光粉不同的 和 相比 的 與 相差較遠 是更理想的激活劑離 子 基于此考慮晶體場優(yōu)化策略選擇合適的基質(zhì) 敏化劑以及金屬離子可獲得目標(biāo)波段與高熱穩(wěn)定 性的遠紅光熒光粉 結(jié)語與展望 目前 植物生長補光用 熒光粉的相關(guān)研究 不斷增多 但大部分研究仍停留在實驗室階段 在 未來發(fā)展中可通過以下方面對植物補光用熒光粉 進行研究 光譜對植物的調(diào)控機理有待進一步研究 不同植株在不同階段需要不同光質(zhì)比來達到理想 狀態(tài) 單一藍或紅光的促進效果遠不及復(fù)合光 植 物補光 也是利用組合熒光粉獲得 不同種類植 株所需的最優(yōu)復(fù)合光質(zhì)比仍有待商榷 從而促進植 物補光 的高效應(yīng)用 熒光粉 光譜與植物色素吸收帶的重合 度仍需進一步提高 對于藍光 深紅光與遠紅光而 言分別存在的問題是 相對吸收帶紅移 波段缺失 與 吸收帶產(chǎn)生部分重疊 這些問題均可考慮運用晶體場優(yōu)化策略 后續(xù)針對 深紅光可選擇合適基質(zhì)共摻 來彌補 藍和遠紅 光可專注于多熒光中心設(shè)計使其峰位藍 紅移 提 供不同場強使多種發(fā)射方式并存 提高重合度 熒光粉熱穩(wěn)定性還需繼續(xù)提升 從宏觀角 度上選擇合適穩(wěn)定的基質(zhì)是其一 更重要的是從微 觀層面利用晶體場優(yōu)化策略摻入堿金屬離子引入 陷阱能級或敏化劑離子進行能量傳遞 光激發(fā)時 進行能量捕獲與儲存 升溫時保證能量傳遞是實現(xiàn) 高熱穩(wěn)定的關(guān)鍵之一 因此 針對植物生長補光用 熒光粉我們還 第 期汪沁馨等 植物生長補光用 熒光粉的研究進展 需不斷深入探索 完善光譜調(diào)控原理 從宏觀與微 觀層面進行基質(zhì)與晶體場優(yōu)化 制備出具有更高植 物利用率和穩(wěn)定性的熒光粉 從而實現(xiàn)植物補光用 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)市場的普及 參考文獻 胡玉才 于會弟 殷平 等 熒光粉的制備與表征 應(yīng)用化工 張義 周翠 張啟 等 植物補光用非晶態(tài) 熒光粉的燃燒合成及性能 無機化學(xué)學(xué)報 應(yīng)用化工第 卷 上接第 頁 李琦路 吳錦濤 張穎 等 新鄉(xiāng)市機動車排放對道路 灰塵中重金屬與多環(huán)芳烴污染的影響 環(huán)境科學(xué) 高瑩 南昌市區(qū)路面沉積物污染分布及評價 南 昌 南昌大學(xué) 阿迪萊 伊斯馬伊力 新疆克拉瑪依市地表灰塵微量 元素污染風(fēng)險評估 烏魯木齊 新疆師范大 學(xué) 龐博 張銀龍 王丹 城市不同功能區(qū)內(nèi)葉面塵與地表 灰塵的粒徑和重金屬特征 生態(tài)環(huán)境學(xué)報 徐瑋 呂賓 儲金宇 等 鎮(zhèn)江市老城區(qū)不同功能區(qū)地 表灰塵重金屬污染評價 環(huán)境化學(xué) 駱輝 李星琦 張燕 等 城市道路路面初期徑流污染 特征分析 以南京市為例 環(huán)?？萍?李海雯 陳振樓 王軍 等 基于 的上海城市灰塵重 金屬空間分布特征研究 環(huán)境科學(xué)學(xué)報 孫璐 西安市路面沉積物污染機制研究 西安 長 安大學(xué) 杜曼曼 丁慶玲 王倩 等 宜興市典型道路灰塵 組分中重金屬污染特征及風(fēng)險評價 環(huán)境 化學(xué) 馬驍 焦作市不同功能區(qū)道路灰塵中重金屬含量及污 染評價 焦作 河南理工大學(xué) 沈曉蔚 彭志 李欣 等 上海市月浦工業(yè)區(qū)道路綠化 土壤重金屬污染狀況及木本綠化植物中重金屬的積 累 上海交通大學(xué)學(xué)報 農(nóng)業(yè)科學(xué)版 朱偉 邊博 阮愛東 鎮(zhèn)江城市道路沉積物中重金屬污 染的來源分析 環(huán)境科學(xué) 馬建華 韓昌序 姜玉玲 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法應(yīng)用中 的一些問題 地理研究 劉衍君 湯慶新 白振華 等 基于地質(zhì)累積與內(nèi)梅羅 指數(shù)的耕地重金屬污染研究 中國農(nóng)學(xué)通報 石棟奇 盧新衛(wèi) 西安城區(qū)路面細顆粒灰塵重金屬污 染水平及來源分析 環(huán)境科學(xué) 陳明 成都市局部環(huán)境中重金屬污染特征及生物有效 性分析 成都 成都理工大學(xué)