重庆文理学院：媲美叶绿素的荧光粉！光合效率高达83%

光合作用离不开光，人工补光对提高作物产量、品质或调节植物生长节律具有重要意义。本文首次报道了一系列新的高效荧光粉，其蓝紫色和深红双发射峰分别在419和669 nm处，通过控制Bi3+和Mn4+的浓度比，可以满足不同植物对光的需求，其光谱最高可达90.64%，与叶绿素A和叶绿素B的吸收光谱相似。

目前用于光合作用的发光二极管和荧光粉存在着效率低、热稳定性差、发射波长不变或光谱不匹配等问题，限制了它们的应用。来自重庆文理学院新材料技术研究所科研团队制备了一种新型的荧光粉，这些荧光粉具有较高的内量子效率，在425 k时最多保留95%的初始发光强度。最后，利用紫外芯片和荧光粉制作了pc-LEDs，作为监测常绿植物荧光光谱的光源。结果表明，这些荧光粉对常绿植物的光合效率高达83%，比单一发射荧光粉提高10%，对提高植物光合作用具有良好的应用前景。相关论文以题为“A novel efficient single-phase dual-emission phosphor with high resemblance to the photosynthetic spectrum of chlorophyll A and B”将于5月25日正式出版于Journal of Materials Chemistry C。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/tc/d0tc00811g#!divAbstract

光是光合作用的燃料，在种子萌发、茎的生长、叶片膨大、开花诱导和养分的积累等方面发挥着不可替代的作用。在光照条件较差的短生长期或高纬度地区，人工补光对提高作物产量、品质或调节植物生长节律具有重要意义。在向光性和光合作用过程中，叶绿素A和叶绿素B分别吸收蓝紫色（390-500nm）和深红光（600-680nm），在植物生长中起主导和重要作用。显然，传统的白炽灯和荧光灯很难继续用于植物照明，这不仅是因为与光合作用光谱不匹配，而且还因为高能耗或环境威胁。另一方面，发光二极管由于具有效率高、寿命长、环境友好、光谱组成可控等优点，可以克服这些缺点。近几十年来，荧光粉转换发光二极管以其低成本和成熟的制备方法得到了迅速的发展，通常采用近紫外或蓝色LED芯片与荧光粉相结合的方法来制备。

本文采用高温固相法成功地合成了一系列Ca²⁺、Bi³⁺、Mn⁴⁺共掺杂的Lu₃Al₅O₁₂荧光粉。Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺、Bi³⁺、Mn⁴⁺系列荧光粉在紫外光下能有效激发，发出蓝紫色和深红光。此外，它们在425 k下具有较高的量子效率和良好的热稳定性。更重要的是，Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺、0.6%Bi³⁺、0.1%Mn⁴⁺的光谱与叶绿素A和B的吸收光谱的相似性为90.64%，显示了其在改善光合作用方面的应用前景。此外，通过控制Bi³⁺和Mn⁴⁺的浓度，可以调节蓝紫和深红光的比例，以满足不同植物的不同需要。最后，在所制备的pc-LED光照下对常绿植物的叶绿素荧光光谱进行了测量，结果表明，蓝紫和深红双发射荧光粉在光化学效率方面比其他单发射荧光粉更具优势。

图1。（a）Lu₃Al₅O₁₂:0.4%Mn⁴⁺，Lu₃Al₅O₁₂:0.6%Bi³⁺，Lu₃Al₅O₁₂:xCa²⁺，0.6%Bi³⁺，0.4%Mn⁴⁺（x=2%，6%，10%，14%，18%）的XRD图谱；图中右侧为33.01-34.51之间的放大的XRD图谱；(b）晶格参数随Ca²⁺浓度的变化；（c）Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺，0.6%Bi³⁺，0.4%Mn⁴⁺的XRD-Rietveld精修图；（d）Ca²⁺，Bi³⁺，Mn⁴⁺共掺杂取代机理及Ca²⁺对局域晶体结构影响的图解。

图2。（a和b）Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺，0.6%Bi³⁺，0.4%Mn⁴⁺荧光粉的HRTEM图像；插图是选定的区域电子衍射（SAED）图案和晶格平面（211）的直方图；（c）Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺，0.6%Bi³⁺，0.4%Mn⁴⁺荧光粉的元素映射图像和EDS光谱。

图3。（a）Lu₃Al₅O₁₂:0.6%Bi³⁺，Lu₃Al₅O₁₂:0.4%Mn⁴⁺，Lu₃Al₅O₁₂:0.6%Bi³⁺，0.4%Mn⁴⁺；（b）不同浓度Bi³⁺和Mn⁴⁺对PL光谱的调节；（c）Lu₃Al₅O₁₂:0.4%Mn⁴⁺，Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺，0.4%Mn⁴⁺，Lu₃Al₅O₁₂:0.6%Bi³⁺，0.4% Mn⁴⁺，Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺，0.6% Bi³⁺，0.4% Mn⁴⁺样品吸收光谱（d）上述荧光粉相应带隙能量。

图4。（a）Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺、0.6%Bi³⁺、0.1%Mn⁴⁺与叶绿素a的光谱相似图；（b）Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺、0.6%Bi³⁺、0.1%Mn⁴⁺与叶绿素a+b的吸收光谱相似图；（c）用365nm紫外芯片和荧光粉制作的pc-LED1-3的光谱Lu₃Al₅O₁₂:0.6%Bi³⁺（pc-LED1），Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺，0.1%Mn⁴⁺（pc-LED2）和Lu₃Al₅O₁₂:10%Ca²⁺、0.6%Bi³⁺、0.1%Mn⁴⁺ （pc-LED3）；（d）pc-LED1，pc-LED2和pc-LED3光照下的叶绿素荧光光谱。

（文：爱新觉罗星）