CN108975714B

CN108975714B - 一种促进植物光合作用的双能转光玻璃及其制备方法

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Publication number: CN108975714B
Application number: CN201810994896.8A
Authority: CN
Inventors: 董国平; 蔡振禄; 康世亮; 宋晓倩; 欧阳天昶
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2038-08-29
Also published as: CN108975714A

Abstract

本发明公开了一种促进植物光合作用的双能转光玻璃及其制备方法，其原料的摩尔组成为：SiO₂:33.8~50%、Al₂O₃:18~24%、Na₂O:14~18%、NaF:7~11%、YF₃:8~12%、Re₂O₃:0.05~0.5%、TM₂O_x:0.05~0.5%，所述Re为三价稀土离子，TM为过渡金属离子。本发明的促进植物光合作用的双能转光玻璃能促进植物的光合作用，减少化学肥料和农药的使用，提高农作物的产量，有望开发为温室大棚的绿色建筑材料。

Description

一种促进植物光合作用的双能转光玻璃及其制备方法

技术领域

本发明涉及固体发光材料领域，特别涉及一种促进植物光合作用的双能转光玻璃及其制备方法。

背景技术

由于叶绿素对蓝光和红光的吸收效率较高，对紫外和红外波段吸收较少。所以太阳光谱中的蓝光和红光对绿色植物的光合作用影响最大，通常称为光合作用的有效光谱。

目前，一些掺杂发光离子的荧光材料已经用于促进农作物增产增收，将太阳光中的紫外光或绿光转换为蓝光和红光，提高绿色植物光合作用效率。专利CN1105040A，CN1122814A，CN1132219A公开了稀土铕有机配合物在农膜中的应用，这些专利申请都是粉末材料或者掺杂了粉末材料的高分子薄膜。由于这种有机高分子薄膜容易造成环境污染问题，并且只是利用稀土铕元素将紫外波段转换为红光，没有考虑到叶绿素α和叶绿素β对蓝光的高效吸收。所以这种荧光材料在农用转光材料领域的应用受到了一定限制。

基于大多数温室大棚是用玻璃材料建造的，所以对转光玻璃的研究具有深远意义。用转光玻璃替代传统玻璃，能提高绿色植物对太阳能的利用效率，减少化学肥料的使用，实现绿色生态农业。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种能将紫外光和红外光（紫外光和绿光）转换成蓝光和红光的双能转光玻璃。

本发明的另一目的在于提供上述双能转光微晶玻璃的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种促进植物光合作用的双能转光玻璃，该双能转光玻璃的原料摩尔组成为SiO₂:33.8 ~ 50%、Al₂O₃:18 ~ 24%、Na₂O:14 ~ 18%、NaF:7~ 11%、YF₃:8 ~ 12%、Re₂O₃:0.05~ 0.5%、TM₂O_x:0.05 ~ 0.5%，所述Re为三价稀土离子，所述TM为过渡金属离子；所述x为2或3。

优选的，所述三价稀土离子为Tm³⁺离子、Eu³⁺离子、Nd³⁺离子、Ho³⁺离子或Yb³⁺离子。

优选的，所述过渡金属离子为Bi³⁺离子、Cr³⁺离子、Sb³⁺离子或Mn²⁺离子。

以上所述的一种促进植物光合作用的双能转光玻璃的制备方法，包括以下步骤：

（1）对玻璃原料SiO₂、Al₂O₃、Na₂O、NaF、YF₃、Re₂O₃、TM₂O_x进行充分研磨；

（2）将步骤（1）得到的玻璃原料置于坩埚中，然后将坩埚置于高温炉中加热，得玻璃熔液；

（3）将步骤（2）得到的玻璃熔液浇注到已预热的模具中，再放入已升温的马弗炉中保温后降温，获得前驱体玻璃；

（4）将步骤（3）得到的前驱体玻璃置于马弗炉中加热，获得双能转光玻璃。

优选的，步骤（1）所述研磨的时间为20-40min。

优选的，步骤（2）所述加热是先以5-10℃/min的速率升温至1000℃，接着再以3-5℃/min的速率升温至1400~1600℃后保温0.5~2小时。

优选的，步骤（3）所述模具的预热温度为200-300℃。

优选的，步骤（3）所述马弗炉的温度为450-550℃，所述保温的时间为2-3h。

优选的，步骤（3）所述降温是以5-15℃/h的速率降温至50℃以下。

优选的，步骤（4）所述加热是以3-5℃/min的速率从室温升至650~700℃后保温1~5小时。

本发明的双能转光玻璃在紫外波段和红外波段（紫外波段和绿光波段）均有吸收带，即双能转光玻璃可以同时吸收紫外光和红外光（紫外光和绿光）；在蓝光波段和红光波段均有发射带，即双能转光玻璃同时发射蓝光和红光；能将太阳光谱中植物吸收效率低的紫外光和红外光（紫外光和绿光）转换为高效吸收的蓝光和红光；能促进植物的光合作用，减少化学肥料和农药的使用，提高农作物的产量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明的双能转光微晶玻璃，能将紫外光和红外光（紫外光和绿光）转换成蓝光和红光，提高太阳能的利用效率，促进植物的光合作用，减少化学肥料和农药使用。

（2）本发明的双能转光微晶玻璃含有NaYF₄和NaAlSiO₄两种晶体，稀土和过渡金属离子分别进入NaYF₄和NaAlSiO₄晶体中，通过空间上的隔离，稀土和过渡金属离子的非辐射能量传递得到了有效的抑制。

（3）本发明的微晶玻璃的制备方法简单，可以制造成各种形式的玻璃，用于建造各种类型的农用场地。

附图说明

图1为实施例1中微晶玻璃的X射线衍射图谱（XRD）；

图2为实施例1中微晶玻璃的发射光谱图；

图3为实施例1中微晶玻璃的激发光谱图；

图4为实施例2中微晶玻璃的上转换光谱图；

图5为实施例2中微晶玻璃的下转换光谱图；

图6为实施例2中微晶玻璃的激发光谱图；

图7为实施例3中微晶玻璃的蓝光和红光发射波段及对应的吸收区域图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)前驱体玻璃的制备：摩尔组成为:SiO₂:44.875%、Al₂O₃:22%、Na₂O:16%、NaF:9%、YF₃:8%、Bi₂O₃:0.05%、Eu₂O₃:0.075%。取100g原料，在玛瑙研钵中研磨30min，使其充分混合均匀。将混合均匀的物料倒入200ml刚玉坩埚，再将刚玉坩埚放入高温炉中。先以8℃/min的速率升温至1000℃，接着再以5℃/min的速率升温至1550℃后保温1h。然后将玻璃熔液迅速浇注到250℃的预热模具中，放入已升温至500℃的马弗炉中保温2.5h后，再以10℃/h的速率降温至50℃以下，获得前驱体玻璃。

(2)透明微晶玻璃的制备：将前驱体玻璃置于马弗炉中，以5℃/min的速率从室温升至670℃保温2h，获得透明微晶玻璃，再将表面抛光成镜面。

(3)透明微晶玻璃的表征：X射线衍射结果（如图1所示）表明，该微晶玻璃析出了两种晶相：NaAlSiO₄和NaYF₄。360nm紫外光激发条件下的发射光谱（如图2所示）表明，Bi³⁺/Eu³⁺共掺的转光玻璃发射蓝光和红光，蓝光源于Bi³⁺离子的辐射跃迁，中心波长为450nm；红光源于Eu³⁺离子的辐射跃迁，中心波长为622nm。激发光谱（如图3所示）表明，Bi³⁺/Eu³⁺共掺的转光玻璃能有效吸收紫外光，监测450nm蓝光时的激发波长范围为300-380nm，监测622nm红光时的激发波长范围为360-400nm。因此，Bi³⁺/Eu³⁺共掺的转光玻璃能将紫外光转换成蓝光和红光。

实施例2

(1)前驱体玻璃的制备：摩尔组成为:SiO₂:33.8%、Al₂O₃:24%、Na₂O:18%、NaF:11%、YF₃:12%、Yb₂O₃:0.5%、Tm₂O₃:0.2%、MnO:0.5%。取100g原料，在玛瑙研钵中研磨20min，使其充分混合均匀。将混合均匀的物料倒入200ml刚玉坩埚，再将刚玉坩埚放入高温炉中。先以5℃/min的速率升温至1000℃，接着再以3℃/min的速率升温至1400℃后保温2h。然后将玻璃熔液迅速浇注到200℃的预热模具中，放入已升温至450℃的马弗炉中保温3h后，再以5℃/h的速率降温至50℃以下，获得前驱体玻璃。

(2)透明微晶玻璃的制备：将前驱体玻璃置于马弗炉中，以3℃/min的速率从室温升至650℃保温5h，获得透明微晶玻璃，再将表面抛光成镜面。

(3)透明微晶玻璃的表征：980nm激光激发条件下的发射光谱（如图4所示）表明，Yb³⁺/Tm³⁺/Mn²⁺共掺的转光玻璃发射蓝光和红光，蓝光源于Tm³⁺离子的辐射跃迁，红光源于Mn²⁺离子的辐射跃迁。360nm紫外光激发条件下的发射光谱（如图5所示）表明，Yb³⁺/Tm³⁺/Mn²⁺共掺的转光玻璃发射蓝光，源于Tm³⁺离子的辐射跃迁，中心波长为454nm。激发光谱（如图6所示）表明，监测454nm蓝光时的激发波长范围为345-370nm。因此，Yb³⁺/Tm³⁺/Mn²⁺共掺的转光玻璃能将紫外光转换成蓝光，红外光转换成蓝光和红光。

实施例3

(1)前驱体玻璃的制备：摩尔组成为:SiO₂:50%、Al₂O₃:18%、Na₂O:14%、NaF:7%、YF₃:10%、Tm₂O₃:0.5%、Cr₂O₃:0.5%。取100g原料，在玛瑙研钵中研磨40min，使其充分混合均匀。将混合均匀的物料倒入200ml刚玉坩埚，再将刚玉坩埚放入高温炉中。先以10℃/min的速率升温至1000℃，接着再以4℃/min的速率升温至1600℃后保温0.5h。然后将玻璃熔液迅速浇注到300℃的预热模具中，放入已升温至550℃的马弗炉中保温2h后，再以15℃/h的速率降温至50℃以下，获得前驱体玻璃。

(2)透明微晶玻璃的制备：将前驱体玻璃置于马弗炉中，以4℃/min的速率从室温升至700℃保温1h，获得透明微晶玻璃，再将表面抛光成镜面。

(3)透明微晶玻璃的表征：如图7所示，Tm³⁺/Cr³⁺共掺的转光玻璃能发射蓝光和红光。Tm³⁺将紫外光转换为蓝光，Cr³⁺将绿光转换为红光。因此，Tm³⁺/Cr³⁺共掺的转光玻璃能将紫外光和绿光转换成蓝光和红光。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种促进植物光合作用的双能转光玻璃，其特征在于，该双能转光玻璃的原料摩尔组成为SiO₂:33.8 ~ 50%、Al₂O₃:18 ~ 24%、Na₂O:14 ~ 18%、NaF:7~ 11%、YF₃:8 ~ 12%、Re₂O₃:0.05 ~ 0.5%、TM₂O_x:0.05 ~ 0.5%，且各组分摩尔组成百分比总和为100%，所述Re为三价稀土离子，所述TM为过渡金属离子；所述x为2或3。

2.根据权利要求1所述的一种促进植物光合作用的双能转光玻璃，其特征在于，所述三价稀土离子为Tm³⁺离子、Eu³⁺离子、Nd³⁺离子、Ho³⁺离子或Yb³⁺离子。

3.根据权利要求1所述的一种促进植物光合作用的双能转光玻璃，其特征在于，所述过渡金属离子为Bi³⁺离子、Cr³⁺离子、Sb³⁺离子或Mn²⁺离子。

4.制备权利要求1-3任一项所述的一种促进植物光合作用的双能转光玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述研磨的时间为20-40min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述加热是先以5-10℃/min的速率升温至1000℃，接着再以3-5℃/min的速率升温至1400~1600℃后保温0.5~2小时。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述模具的预热温度为200-300℃。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述马弗炉的温度为450-550℃，所述保温的时间为2-3h。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述降温是以5-15℃/h的速率降温至50℃以下。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述加热是以3-5℃/min的速率从室温升至650~700℃后保温1~5小时。