CN116120934A - 一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料及制备方法和应用 - Google Patents

一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料及制备方法和应用 Download PDF

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李崇辉
许士才
王蔚汀
张豪迈
许梦婷
张彤
王家傲
王盈基
王艺璇
赵子轩
曲艺凯
黄平平
张霞
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Abstract

本发明公开了一种促植物生长的蓝‑红光长余辉发光材料及制备方法和应用,涉及发光材料技术领域,所述长余辉发光材料以锗钇酸盐为基体,通过三价稀土离子作为激活剂;所述长余辉发光材料的化学组成表达式为M3Y2Ge3O12:xPr3+;其中Pr3+为激活离子,M选自Mg、Ca、Sr中任意一种;x为Pr的掺杂摩尔量,且取值范围为0.001≤x≤0.10。本发明所述发光材料的原材料价格低廉,对设备要求低,制备工艺简单易行,可重复性好,得到的产品稳定性高,易于大规模推广和生产应用;所述发光材料发光波长在450nm‑800nm,发射峰位于608nm,能够匹配植物色素吸收光谱,有望用于提高植物产量。

Description

一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料及制备方法和应用
技术领域
本发明属于发光材料技术领域,具体涉及一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料及制备方法和应用。
背景技术
在农业发展中,光是植物生长发育最重要的环境因子之一,而光合作用是植物生物量与产量形成的基础,是影响植物生长发育和产量品质形成的重要因素。然而,并不是所有的阳光都能促进植物生长,其中,蓝光(420~490 nm)和红光/远红外(600~730 nm)对光合作用起主要作用,这是由于植物体内的叶绿素A、叶绿素B、红光光色素和远红光光色素能够吸收蓝光和红光/远红光,因此这两个波段成为植物的“光肥”。
光学材料应用于植物栽培领域已经成为研究热点。中国专利CN202210388422公开了一种植物照明用深红光荧光粉及其制备方法,所述深红光荧光粉为Mn4+、Ti4+、Eu3+共掺杂的SrMgAl10-xGaxO17,该荧光粉在紫外激发下能够获得600-730nm的红光发射,发光量子效率高,热稳定性良好,发射波段与植物色素的吸收匹配良好,在植物照明方面具有良好的应用前景。中国专利CN202210393503公开了一种植物照明蓝光发光器件、照明装置以及应用,所述植物照明蓝光发光器件件包括激发芯片和光转化层;所述光转化层包括发光材料和有机胶体;所述发光材料包括蓝色荧光粉;所述蓝色荧光粉选自具有式Ⅰ所示物质中的任一种:(M3-a-x, Aa)Mg(Si2-b, Db)O8-aEa: xEu2+式Ⅰ,在式Ⅰ中,M包括Sr元素;A选自碱金属元素中的至少一种;D选择ⅣA族元素中的至少一种;E选自卤素中的至少一种;a的取值范围为0.001≤a≤0.3;b的取值范围0≤b≤0.3;x的取值范围0.001≤x≤0.4,利用荧光粉发出的蓝光增加光谱半宽(30nm至40nm范围内)来改善植物照明中的光谱,促进植物生长,缩短生长周期。尤其对经济植物,例如油料植物、蔬菜植物、果类、花、草类的植物,可以显著促进其生长。
虽然上述现有技术中通过特定的荧光材料均能促进植物生长,但发射的光谱仅为600-730nm的深红光或460-470nm的蓝光,发射光谱单一,而植物光合作用能够同时吸收蓝光和红光/远红外光,因此限制了植物体内多种光学色素的同时作用,不利于植物产量的进一步提升。
发明内容
经研究发现,Pr3+发射的蓝-红光长余辉发光光谱可以匹配植物色素吸收光谱,具有提高植物产量的应用前景,因此,本发明提出一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料及制备方法和应用,以解决现有技术中将荧光材料用于促进光合作用时,发射光谱不能全面覆盖光合作用所需蓝-红光光谱的问题。
为了实现上述目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,所述长余辉发光材料以锗钇酸盐为基体,以三价稀土离子Pr3+作为激活剂;
所述长余辉发光材料的化学组成表达式为M3Y2Ge3O12: xPr3+
其中,M选自Mg、Ca或Sr中任意一种;
x为Pr3+的掺杂摩尔量,且取值范围为0.001≤x≤0.10。
优选的,所述M为Mg。
优选的,本发明所述长余辉发光材料的发光波长:450-800nm,发射峰位于608nm。
本发明还提供上述一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料在促植物生长中的应用。
本发明还提供上述长余辉发光材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将含有M的化合物、含有Ge的化合物、含有Y的化合物和含有Pr的化合物研磨混匀,得到混合物;所述含有M的化合物为M的碳酸盐或氧化物,所述含有Ge的化合物、含有Y的化合物和含有Pr的化合物均为氧化物;所述混合物中M、Y、Ge、Pr的摩尔比为3:2:3:x;0.001≤x≤0.10;
(2)将步骤(1)中所述的混合物于1300~1500℃在空气氛围下进行焙烧,制得所述长余辉发光材料。
优选的,步骤(1)中所述含有Pr的化合物为氧化镨。
优选的,步骤(1)中所述含有Ge的化合物为氧化锗,所述含有Y的化合物为氧化钇。
优选的,步骤(2)中所述烧结的时间为4~8h,采用高温管式炉进行焙烧。
本发明还提供上述制备方法制得的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料在促植物生长中的应用。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
(1)本发明的原材料价格低廉,对设备要求低,制备工艺简单易行,可重复性好,得到的产品稳定性高,易于大规模推广和生产应用;
(2)本发明的促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,发光波长在450nm-800nm,发射峰位于608nm,能够匹配植物色素吸收光谱,有望用于提高植物产量。
附图说明
图1为本发明实施例1中所制备的发光材料的X射线衍射谱图;
图2为本发明实施例1中所制备的发光材料的608nm波长检测下所得的激发光谱;
图3为本发明实施例1中所制备的发光材料的285nm波长下激发所得的发射光谱;
图4为本发明实施例1中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉发射光谱;
图5为本发明实施例1和对比例1中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉衰减光谱示意图;
图6为本发明实施例2中所制备的发光材料的608nm波长检测下所得的激发光谱;
图7为本发明实施例2中所制备的发光材料的608nm波长下激发所得的发射光谱;
图8为本发明实施例2中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉发射光谱;
图9为本发明实施例2和对比例2中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉衰减光谱;
图10为本发明实施例3中所制备的发光材料608nm波长检测下所得的激发光谱;
图11为本发明实施例3中所制备的发光材料的285nm波长下激发所得的发射光谱;
图12为本发明实施例3中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉发射光谱;
图13为本发明实施例3中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉衰减光谱;
图14为本发明对比例1中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉发射光谱;
图15为本发明对比例2中所制备的发光材料在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉发射光谱;
图16为本发明应用例1中大蒜在不同条件下的生长长度和生长率曲线图;
图17为本发明应用例2中酢浆草在不同条件下的叶片面积和生长率曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
以下实施例中样品的X射线衍射检测仪器采用北京普析XD-2X射线衍射仪;激光光谱检测采用爱丁堡FLS-980荧光光谱仪;漫反射光谱检测采用EVOluPron-220紫外可见分光光度计;激发光谱检测采用爱丁堡FLS-980荧光光谱仪。
实施例1
一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,所述化学组成表达式为:Mg3Y2Ge3O12:0.001Pr3+
制备方法包括以下步骤:(1)分别称取碳酸镁3mol,氧化钇1mol,氧化锗3mol,氧化镨0.000167mol,将上述化合物充分混合,在研钵中研磨匀化后得到混合物;(2)将所述混合物在高温管式炉内于1300℃下进行焙烧,烧制4h,最终得到成品发光材料。
对上述发光材料进行荧光性能测试,结果如图1-图5所示。图1的X射线衍射图证明本实施例得到Mg3Y2Ge3O12纯相。图2为608nm波长检测下所得的激发光谱,由图可知,在240~320nm中出现明显激发峰,属于Pr3+的特征激发峰,表明该发光材料可被可见光激发。图3是在285nm波长下激发所得的发射光谱,由图可知,608nm波长处显示出明显的发射峰,属于Pr3+的特征发射峰,表明该发光材料可发射蓝-红光。图4是将发光材料在紫外波长下照射十分钟后所得的余辉发射光谱,450-800nm波段处显示出明显的红-蓝光余辉发射,匹配植物吸收生长波段,属于Pr3+的特征发射峰。图5是在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉衰减光谱,检测波长为608 nm,属于Pr3+的特征发射峰。
实施例2
一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,所述发光材料的化学组成表达式为:Ca3Y2Ge3O12:0.1Pr3+
制备方法包括以下步骤:(1)分别称取碳酸钙3mol,氧化钇1mol,氧化锗3mol,氧化镨0.01667mol,将上述化合物充分混合,在研钵中研磨匀化后得到混合物;(2)将所述混合物在高温管式炉内于1400℃进行烧制8h,最终得到成品发光材料。
对上述发光材料进行荧光性能测试,结果如图6-图9所示。图6为608nm波长检测下所得的激发光谱,图中在240~320nm中出现明显激发峰,属于Pr3+的特征激发峰,表明该发光材料可被可见光激发。图7是在608nm波长下激发所得的发射光谱,由图可知,608 nm波长处显示出明显的发射峰,属于Pr3+的特征发射峰,表明该发光材料可发射UVB光。图8为在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉发射光谱,450-800nm波段处显示出明显的红-蓝光余辉发射,匹配植物吸收生长波段,属于Pr3+的特征发射峰。图9为在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉衰减光谱,检测波长为608 nm,属于Pr3+的特征发射峰。
实施例3
一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,所述发光材料的化学组成表达式为:Sr3Y2Ge3O12:0.03Pr3+
制备方法包括以下步骤:(1)分别称取碳酸锶3mol,氧化钇1mol,氧化锗3mol,氧化镨0.005mol,将上述化合物充分混合,在研钵中研磨匀化后得到混合物;(2)将所述混合物在高温管式炉内于1500℃下进行焙烧,烧制4h,最终得到成品发光材料。
对上述发光材料进行荧光性能测试,结果如图10-图13。图10为608nm波长检测下所得的激发光谱,图中在240~320nm中出现明显激发峰,属于Pr3+的特征激发峰,表明该发光材料可被可见光激发。图11为在285nm波长下激发所得的发射光谱,属于Pr3+的特征发射峰,608nm波长处显示出明显的发射峰,表明该发光材料可发射UVB光。图12为在紫外波长下照射十分钟后停止照射所得的余辉发射光谱,450-800nm波段处显示出明显的红-蓝光余辉发射,匹配植物吸收生长波段,属于Pr3+的特征发射峰。图13为在紫外波长下照射十分钟后所得的余辉衰减光谱,检测波长为608nm,属于Pr3+的特征发射峰。
对比例1
一种长余辉发光材料,其化学组成表达式为:Mg3Y2Ge3O12:0.0005Pr3+
上述长余辉发光材料的制备方法包括以下步骤:
(1)分别称取碳酸镁3mol,氧化钇1mol,氧化锗3mol,氧化镨8.3×10-5mol,将上述化合物充分混合,在研钵中研磨匀化后得到混合物;(2)将所述混合物在高温管式炉内于1300℃下进行焙烧,烧制4h,最终得到成品发光材料。
对上述发光材料进行荧光性能测试,结果如图5、图14所示。图5中对应的对比例1所得长余辉发光材料的余辉衰减光谱,检测波长为608nm。图14为本对比例所得长余辉发光材料的余辉发射光谱,检测波长为608nm。与实施例1相比,由图5和图14可知,图5中对比例1的余辉衰减光谱和图14中对比例1的余辉发射光谱非常弱,近乎于一条直线,不具备余辉发光性能。
对比例2
一种长余辉发光材料,其化学组成表达式为:Mg3Y2Ge3O12:0.2Pr3+
上述长余辉发光材料的制备方法包括以下步骤:
(1)分别称取碳酸镁3mol,氧化钇1mol,氧化锗3mol,氧化镨0.033mol,将上述化合物充分混合,在研钵中研磨匀化后得到混合物;(2)将所述混合物在高温管式炉内于1300℃下进行焙烧,烧制4h,最终得到成品发光材料。
对上述发光材料进行荧光性能测试,结果如图9、图15所示。图9中对比例2所得长余辉发光材料的余辉衰减光谱,检测波长为608nm。图15为本对比例所得长余辉发光材料的余辉发射光谱。与实施例2相比,如图9和图15中所示,图9中对比例2的余辉衰减光谱和图15中对比例2的余辉发射光谱非常弱,近乎于一条直线,不具备余辉发光性能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
应用例1
一种长余辉发光材料,其化学组成表达式为:Mg3Y2Ge3O12:0.01Pr3+
实验组:将上述长余辉材料与PMMA/丙酮溶液(0.1g/100mL)按照质量比为1:1的比例混合,涂覆于石英玻璃片上;选取一组未发芽的状态相近的大蒜,将根部埋入湿润营养土中进行试验,将玻璃片于紫外灯下照射十分钟之后再悬浮设置于大蒜上方,模拟太阳规律,让大蒜白天于太阳光下生长12h,晚上于暗室中生长12h;让大蒜于暗室中进行生长;每隔二小时将石英玻璃用紫外光重复照射一次。
对照组:与实验组的不同之处在于,仅涂覆PMMA材料,且不进行紫外光照射。
对实验组和对照组的大蒜的生长长度及生长率进行测算,计算结果如表1中所示。图16为大蒜在有无长余辉材料条件下的生长长度和生长率曲线图,11天之后大蒜的生长率达21.27%;其中,生长长度为一组大蒜的生长高度之和,生长率=(实验组大蒜生长长度-对照组大蒜生长长度)/对照组大蒜生长长度。
表1.实验组和对照组的大蒜生长长度和生长率随时间的变化
应用例2
一种长余辉发光材料,其化学组成表达式为:Mg3Y2Ge3O12:0.01Pr3+
实验组:将上述长余辉材料与PMMA/丙酮溶液(0.1g/100mL)按照质量比为1:1的比例混合,涂覆于石英玻璃片上;选取一组发芽状态相近的酢浆草,将根部埋入湿润营养土中进行试验,将玻璃片于紫外灯下照射十分钟之后再悬浮设置于酢浆草上方,模拟太阳规律,让酢浆草白天于太阳光下生长12h,晚上于暗室中生长12h;让酢浆草于暗室中进行生长;每隔二小时将石英玻璃用紫外光重复照射一次。
对照组:与实验组的不同之处在于,仅涂覆PMMA材料,且不进行紫外光照射。
对实验组和对照组的酢浆草的叶片面积及生长率进行测算,计算结果如表2中所示。图17为酢浆草在有无长余辉材料条件下的叶片面积和生长率曲线图,7天之后酢浆草的生长率达103%;其中,叶片面积为一组酢浆草的总叶片面积,生长率=(实验组酢浆草叶片面积-对照组酢浆草叶片面积)/对照组酢浆草叶片面积。
表2.实验组和对照组的酢浆草叶片面积和生长率随时间的变化

Claims (10)

1.一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,其特征在于,所述长余辉发光材料以锗钇酸盐为基体,以三价稀土离子Pr3+作为激活剂;
所述长余辉发光材料的化学组成表达式为M3Y2Ge3O12: xPr3+
其中,M选自Mg、Ca或Sr中任意一种;
x为Pr3+的掺杂摩尔量,且取值范围为0.001≤x≤0.10。
2.根据权利要求1所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,其特征在于,所述M为Mg。
3.根据权利要求1所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料,其特征在于,所述长余辉发光材料的发光波长:450-800nm,发射峰位于608nm。
4.如权利要求1所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)将含有M的化合物、含有Ge的化合物、含有Y的化合物和含有Pr的化合物研磨混匀,得到混合物;所述含有M的化合物为M的碳酸盐或氧化物,所述含有Ge的化合物、含有Y的化合物和含有Pr的化合物均为氧化物;所述混合物中M、Y、Ge、Pr的摩尔比为3:2:3:x;0.001≤x≤0.10;
(2)将步骤(1)中所述的混合物于1300~1500℃在空气氛围下进行焙烧,制得所述长余辉发光材料。
5.根据权利要求4所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述含有Pr的化合物为氧化镨。
6.根据权利要求4所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述含有Ge的化合物为氧化锗。
7.根据权利要求4所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述含有Y的化合物为氧化钇。
8.根据权利要求4所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述烧结的时间为4~8h,采用高温管式炉进行焙烧。
9.如权利要求1-3所述的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料在促植物生长中的应用。
10.如权利要求4-8任一项所述的制备方法制得的一种促植物生长的蓝-红光长余辉发光材料在促植物生长中的应用。
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