植物生长补光用LED荧光粉的研究进展_汪沁馨.pdf

第 卷第 期 年 月 应 用 化 工 收稿日期 修改稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 国家重点研发计划项目 全国建材行业重大科技攻关项目 江苏省重点研发计划项目 材料化学工程国家重点实验室自主课题 江苏 省自然科学基金项目 宿迁市科技计划项目 江苏省研究生科研计划项目 作者简介 汪沁馨 女 安徽安庆人 在读硕士 师从崔升教授 电话 通信作者 崔升 男 博导 教授 植物生长补光用 荧光粉的研究进展 汪沁馨 赵洋 徐世玉 刘光熙 袁美玉 崔升 王海波 南京工业大学材料科学与工程学院 江苏南京 南京工业大学电光源材料研究所 江苏南京 摘 要 光是植物生长所需的基本要素之一 但在太阳光照下并非所有波段的光都可利用 同时 随植物工厂等室 内栽培需求的增多 如何精准补光并调控植物生长就成了重要的研究命题 普通补光光源能耗大且利用率低 基 于此 光源孕育而生 该光源主要是由荧光粉与 芯片组合而成 通过不同荧光粉对光质的控制实现植物生 长调控 因此 基于植物色素吸收波段 从 芯片结合蓝 红荧光粉入手 在简述光谱调控植物生长原理的基础 上 从发光性能等对蓝 深红光 远红光荧光粉的研究进展进行综述 并展望了该方向的研究前景 关键词 蓝 红荧光粉 植物生长补光 发光性能 植物色素 中图分类号 文献标识码 文章编号 植物生长离不开多重因素的影响 光照作为其 中的基本要素 以能量或信号的方式影响着植物的 生长 对于植物而言主要吸收的仅为太阳光中 的蓝光与红光 因此 如何精准补光实现植物生 长调控就成为了重要的研究命题 常见的补光光源效率差且发射光与植物所需 波长不能完美重合 产生浪费 而 发光二极 管 不仅节能环保 还有极高的补光效率和普适性 植物利用率可达到 以上 作为一种绿色半 导体照明设备 用作植物生长补光时主要是荧光粉 与蓝 紫外 芯片组合而成 一般是采用蓝 色 红色和远红光荧光粉与相应 芯片结合 通 过调控不同荧光粉的发光特性进行补光 基于此 根据 组合方式以及植物吸收特性 本文在简述 光谱对植物生长调控的原理后 重点从发光特性对 植物生长补光用 蓝 红荧光粉的研究进展进行 综述 并对该方向未来进行展望 光谱调控植物生长原理 通常所述环境中的光因素包括 光质 光强 光 周期 通过三者协作可有效对植物生长进行控 制 植物主要是吸收波长中心为 的蓝光 的深红光 与 的远红光 通过体内色素对上述光质将进行吸收响 应 见表 进而影响着植物的生长发育 光合作 用 光形态建成 物质代谢甚至基因表达等过程 见 DOI 10 16581 ki issn1671 3206 2025 06 001 应用化工第 卷 图 甚至对植株的产量也有不同程度的影响 表 部分植物色素的对应光波长 植物色素蓝光 峰值波长 红光 峰值波长 绿光 叶绿素 叶绿素 光敏色素 光敏色素 光合作用区 光合作用无效区 图 蓝光 深红和远红光对植物的部分促进效果 蓝光效应 蓝光对植物的调控来源于向光素 隐花色素 叶绿素等对特定波长光的吸收响应 通过色素介导 植物的向光反应 不定根产生 气孔开放 叶 绿体聚集和回避等植物器官与细胞器运动 也可 以快速抑制茎的生长 促进生物量 等 在蓝光条件下培养小白菜 发现小白菜的叶绿素 糖含量及健康化合物含量例如酮类 酚类物质等都 明显增多 即蓝光对植物的生物积累有明显的促进 作用 尤其是植物多酚类物质 红光效应 红光对植物的具体调控是通过光敏色素 响应来进行的 在植物体内有两种稳定形式 深 红光吸收型 和远红光吸收型 二者是可逆 的 图 通过调节深 远红光的比例 可以控 制两种 的比值 进而对植株的生长进行调 控 远红光可以促进植株节间增长以及叶片面积 减小 而深红光则起到相反的抑制和增大效果 等 探究红外光对向日葵植株的影响 结果 与上述结论一致 此外 对种子的发芽 幼苗 和茎的生长和开花等过程都有一定的控制作用 图 与 的转换示意图 蓝光与红光效应对比 红光对植物的调控效果与蓝光相比明显不同 有时甚至背道而驰 例如 等 认为蓝光促进 叶绿素含量的积累 而 等 则证明红光对叶绿 素的积累有抑制作用 等 探究了两种光质 共同对矮牵牛花生长的干预情况 结果表明 图 蓝光明显降低了红光对植株高度 叶片面积的促进 作用 因此 不同 或相同 植株的不同生长阶段都 需要不同的光质比来达到理想状态 通过特定的 荧光粉使 发射出特定波长的光 对植物的生理 和生化反应精准调控 诱导植株有利特征的增多 可达到精准补光的目的 图 不同光质对矮牵牛花 天竺葵 彩叶草植株 生长影响 植物生长补光用蓝 红 荧光粉的研 究进展 常见植物生长补光用 光源是利用芯片来 激发荧光粉 荧光粉接收光激发后转换为特定波长 的光 该光被植物色素接收响应从而控制其生长过 程 其中 荧光粉由基质与激活剂构成 通过改变 二者实现荧光粉的发光可调 评判某一荧光粉的实用性 除荧光粉的发光光 谱与植物色素吸收带重合外 芯片通过电流最 高升温至 使荧光粉发生热淬灭 因此其热稳 定性也是评价标准之一 根据植物的色素吸收带 可以通过选用蓝色 红色和远红色荧光粉来实现植 物精准补光 蓝色荧光粉 蓝光波段对植株光合作用与光形态建成有着 重要影响 现有商用蓝色荧光粉是以 掺杂铝酸 盐基质形成的 发 第 期汪沁馨等 植物生长补光用 荧光粉的研究进展 光来源于 跃迁 稀土离子带来较 高的发光效率与色纯度 但其较弱的紫外光吸收 热稳定性与色素吸收带匹配度等不足以作为理想 的补光来源 特殊的电子排位 使 宇称允许跃迁为主导 暴露在外的 轨 道使其发光性能关联于局域环境变化 因此晶体场 优化策略成为 的性能强化的主要途径 表 对部分蓝色荧光粉性能进行对比 表 部分蓝色荧光粉性能对比 加粗为监测波长 荧光粉组成激发 中心 发射 中心 半高峰宽 热稳定性参考文献 基于同一发光中心 从宏观来看 不同 基质为 提供了不同的局域场环境 实现了性能 优化 等 用 取代 以 为基 质 成功合成 共存的荧光粉 在蓝光区域 由于 的存在发生 跃迁 形成以 为中心的 峰 可被类胡萝卜素和 叶绿素吸收 图 对基质离子的取代产生了 蓝光发射 但低波长发光与窄 限制了荧光材 料与 芯片匹配以及 与植物色素吸收带的重 合 因此仅靠宏观基质替换实现荧光材料的性能强 化是远远不够的 图 的 光谱 与色素吸收带重合示意图 从微观角度 在基质中设计不同多面体控制离 子的发光位点 可进一步更改晶体场实现理想的可 调谐发光 等 通过高温固相法使 占据 个 位形成 荧光粉 相较于 明显变宽 图 等 利用 和 为原料形成中间固溶体 取代 峰位于 具 有优异的耐高温性 将其组装为 进行补光测 试 与叶绿素 分别有 和 的重 合度 图 的 与 光谱 激发下的 高斯拟合图 与 类似 具有 电子构型的 失 去 个电子形成 通过自旋耦合分裂成 亚能级 在能量激发下电子跃迁至 外的 轨道 使其同样受限于晶体场变化 而硅酸盐产生 连续晶体场变化有效调控了其 能级分裂 常被用 来作为对应基质 等 以具有 个 位的 单斜硅酸盐作为基质 通过 占据不同发光中 心 不同波长下实现了荧光粉的发光可调 发 光强度 可达初始 的 在 激发下 发射出 为中心的蓝光 具有一定的应用潜力 应用化工第 卷 图 等 同样制备了 并 添加预烧过程实现结构强化 使其在 下 还 能保持 的 图 在不同激发波长的 图和 图 不同温度和激发光下 的 光谱图 相较而言 具有裸露电子排序的过渡金属对晶 体场环境的敏感性更为明显 也具有更大的 这对吸收带的覆盖来说是有利的 以具有 裸露 层的 为例 跃迁使其对近紫 外区产生强吸收 与 芯片高度适配 等 设计 激活 使其同时取代 和 占据 和 在不同激发波长下 实现可调谐发射 并具有相对 更宽 以及对叶绿素吸收带更高的重合度 图 优异的热稳定性 通过器件组合后用于植物补光 有效促进了种子萌发 图 的 和 图 的高斯拟合图 与 的 对比图 归一化 与植物吸收带对比图 第 期汪沁馨等 植物生长补光用 荧光粉的研究进展 但无论是 还是 作为激活剂离子时 与 光谱总会发生重叠 使 利用率受到限 制 此时 具有 与 跃迁特性的 被考虑作为荧光中心 其相对上述激活离子相 关研究较少 主要以磷酸盐为主 等 通过固相 烧结法合成了 荧光粉 结果表明 图 被 激发后由于 跃迁展现出 双中心的 峰 与 并未发生重合 且具 有较高的色纯度 但显而易见 此时 与 虽然避免了重吸收 但和色素吸收带的重合度减 小 因此 具有理想的 芯片适配度 低重吸 收度 高色素带重合度以及高热稳定性的蓝色荧光 粉仍有待开发 从而实现植株对荧光粉 的高效 利用 图 的 与 色坐标图 深红色荧光粉 植物对深红光的响应主要来自于 的吸收 相较蓝色荧光粉而言 近几年该 荧光粉的研究量明显增多 这不光是植物需求 还 源于现有白光 中红色组分缺失的应用需求 因此 深红色荧光粉的研究是极其必要的 而针 对于 的特殊波段 探究离子的跃迁特性发现 和 均可考虑作为其激活剂离子 其中 具有 与 跃迁 宽泛的 与芯片的高匹配度以及 与 的较高重合度被 首选作为发光离子 表 对部分深红色荧光粉性 能进行对比 表 部分深红色荧光粉性能对比 加粗为监测波长 荧光粉 组成 激发峰中 心 发射峰中 心 热稳 定性 参考 文献 众所周知 由于 的跃 迁使 存在多个窄带 峰 当 占据反演 对称中心使 峰占为主导 相反则为 占主导 但对 吸 收而言 后者强于前者是理想的发光状态 因此选 择合适的基质使 占据非对称中心是必要的 等 利用 取代 的 位 基质电荷转移 与 的 跃迁使其 产生了宽 中 的峰 占主导 同时具有良好的热稳定性 等 利 用高温固相法合成了 荧光粉 当 激发时 由于 的 跃迁 占据非反演对称中心 与植物 吸收带 较好重合 图 应用化工第 卷 图 和 的 光谱与色素吸收带对比图 对比上述 与 吸收发现在 仍存 在发光空缺 无法与 较好重合 具有 和 的 与 可以弥补该波段的不 足 等 利用 取代 制备了 由于基质电荷跃迁与 的 形成了 的宽 在 激发下由于 到 和 的跃迁获得 了理想波段 与 较好匹配 等 制备了双 钙钛矿基 荧光粉 在 激发下 发射出以 为中心的宽峰 同时由于 基 团辐射跃迁发射出以 为中心的蓝光 综合产 生白光可用于植物补光 图 图 与色素吸收带示意 和 光谱随温度变化图 综上 无论是 或 总是由具有 较小 的窄带组合而成 所处波段也无法与 高 度重合 基于此 课题组将 与 共掺 制备了 荧光粉 一方面利用二者跃 迁优势制备了与 高度匹配的荧光材料 另一方面 作为敏化剂离子为 输送能量实现了 提升 图 这样的共掺组合为我们提高 重合度提供 了新的思路 针对 的波段缺失 可利用多 掺 实现 与 重合度的有效提升 图 能量传递机制 与 的吸收对比图 第 期汪沁馨等 植物生长补光用 荧光粉的研究进展 远红光荧光粉 远红光对植物的光形态建成来说是有利的 通 过 吸收对植物进行调控 是以 为中心 的宽吸收带 与 产生部分重合 而 植物补光受限于 的比值来控制 因此 选用合适的激活剂离子且 与深红光区有较少重 合是必要的 基于此 过渡金属 和 常被 考虑作为发光来源 其中 具有 跃迁且发 光可调的 与 既较好重合又与 较少重 合 成为了研究的热点 表 对部分远红光荧光粉 的性能进行对比 表 部分远红光荧光粉性能对比 加粗为监测波长 荧光粉组成激发中心 发射中心 半高峰宽 热稳定性 参考文献 具有 电子结构的过渡金属 受限于晶 体场环境 尤其是场强 具有强晶体场的八面体是 首选 在其作用下分裂出 与 实现 可 调发光 而钙钛矿就是具有八面体的代表 因此常 与 组合形成理想荧光粉 等 利用双钙钛 矿 为基质 取代 中 形成 荧光粉 在 激发下发射出以 为中心 的远红光 与 较好重合 等 合成 荧光粉 覆盖 与叶绿素 和 吸收带匹配良好 时 可达 的 组成 器件并用于大蒜种植展现出了明显的植 株生长促进作用 等 利用 六方钙 钛矿合成荧光粉 与 的吸收较好重合 促进了 小麦生长 图 图 的 与 吸收 对比图 组装 对大蒜的补光 效果对比以及 荧光灯与 对 小麦促进效果对比图 具有裸露且未满 轨道的 与 一致 跃迁过程与场强相关联 当其处于强晶体场时通过 跃迁 呈窄带发射 相反通过 跃迁 呈宽带发射 等 利用固相反应成功 制备 荧光粉 在 激发下由于 跃迁呈现以 为中心的 峰 与 较 好重合 但热稳定性较差 基于晶体场优化的多发 光中心策略 等 通过 作为助烧剂 成功 制备性能优异的 取代 与 的 个 下 仍保持 升温时场环境产生变化 为主的跃 迁转变成 发射峰从 到 逐渐变宽 与 较好适配 图 应用化工第 卷 图 的 与 吸收对比 随温度变化图 针对于 和 尤其是常进行不等价取 代发光的 而言 基本符合 吸收带 但热 稳定性的提升有限 基于晶体场优化的电荷平衡机 制加入金属离子引入陷阱 进行能量捕获 储存与 输送 可有效提升热稳定性 等 制备 荧光粉 利用 取代 和 取代 使 变为等价 的 补偿 周围不平衡 形成了 热淬灭荧光粉 在 下 为 的 图 一方面 利用 的陷阱能级捕获储存 光能 升温时将能量输送给 另一方面由于 作为敏化剂将自身能量传给 实现 热淬 灭 等 以 作为敏化剂合成 荧光粉 对 的能量传递增强了 同时 与 的吸收有效匹配 是一种具有潜力的 远红光补光荧光粉 图 温度与 对 不同掺杂荧光粉的 强度变化 的 与色素 吸收带匹配对比图 针对于远红光荧光粉 由于过渡金属离子特殊 的电子排位 发光性能与晶体场紧密关联 尤其是 场强 这是相较于其他荧光粉不同的 和 相比 的 与 相差较远 是更理想的激活剂离 子 基于此考虑晶体场优化策略选择合适的基质 敏化剂以及金属离子可获得目标波段与高热稳定 性的远红光荧光粉 结语与展望 目前 植物生长补光用 荧光粉的相关研究 不断增多 但大部分研究仍停留在实验室阶段 在 未来发展中可通过以下方面对植物补光用荧光粉 进行研究 光谱对植物的调控机理有待进一步研究 不同植株在不同阶段需要不同光质比来达到理想 状态 单一蓝或红光的促进效果远不及复合光 植 物补光 也是利用组合荧光粉获得 不同种类植 株所需的最优复合光质比仍有待商榷 从而促进植 物补光 的高效应用 荧光粉 光谱与植物色素吸收带的重合 度仍需进一步提高 对于蓝光 深红光与远红光而 言分别存在的问题是 相对吸收带红移 波段缺失 与 吸收带产生部分重叠 这些问题均可考虑运用晶体场优化策略 后续针对 深红光可选择合适基质共掺 来弥补 蓝和远红 光可专注于多荧光中心设计使其峰位蓝 红移 提 供不同场强使多种发射方式并存 提高重合度 荧光粉热稳定性还需继续提升 从宏观角 度上选择合适稳定的基质是其一 更重要的是从微 观层面利用晶体场优化策略掺入碱金属离子引入 陷阱能级或敏化剂离子进行能量传递 光激发时 进行能量捕获与储存 升温时保证能量传递是实现 高热稳定的关键之一 因此 针对植物生长补光用 荧光粉我们还 第 期汪沁馨等 植物生长补光用 荧光粉的研究进展 需不断深入探索 完善光谱调控原理 从宏观与微 观层面进行基质与晶体场优化 制备出具有更高植 物利用率和稳定性的荧光粉 从而实现植物补光用 在现代农业市场的普及 参考文献 胡玉才 于会弟 殷平 等 荧光粉的制备与表征 应用化工 张义 周翠 张启 等 植物补光用非晶态 荧光粉的燃烧合成及性能 无机化学学报 应用化工第 卷 上接第 页 李琦路 吴锦涛 张颖 等 新乡市机动车排放对道路 灰尘中重金属与多环芳烃污染的影响 环境科学 高莹 南昌市区路面沉积物污染分布及评价 南 昌 南昌大学 阿迪莱 伊斯马伊力 新疆克拉玛依市地表灰尘微量 元素污染风险评估 乌鲁木齐 新疆师范大 学 庞博 张银龙 王丹 城市不同功能区内叶面尘与地表 灰尘的粒径和重金属特征 生态环境学报 徐玮 吕宾 储金宇 等 镇江市老城区不同功能区地 表灰尘重金属污染评价 环境化学 骆辉 李星琦 张燕 等 城市道路路面初期径流污染 特征分析 以南京市为例 环保科技 李海雯 陈振楼 王军 等 基于 的上海城市灰尘重 金属空间分布特征研究 环境科学学报 孙璐 西安市路面沉积物污染机制研究 西安 长 安大学 杜曼曼 丁庆玲 王倩 等 宜兴市典型道路灰尘 组分中重金属污染特征及风险评价 环境 化学 马骁 焦作市不同功能区道路灰尘中重金属含量及污 染评价 焦作 河南理工大学 沈晓蔚 彭志 李欣 等 上海市月浦工业区道路绿化 土壤重金属污染状况及木本绿化植物中重金属的积 累 上海交通大学学报 农业科学版 朱伟 边博 阮爱东 镇江城市道路沉积物中重金属污 染的来源分析 环境科学 马建华 韩昌序 姜玉玲 潜在生态风险指数法应用中 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