新型无机转光材料的设计、制备和性能研究

At present, the extensive used alkaline earth sulfides based agricultural light conversion phosphors have a lot of shortcomings, such as easily decomposed and emit unpleasant toxic H2S gas when exposed to sunlight or humid air, short service life, poor stability and so on. The aim of this project is to obtain a new kind of efficient light conversion phosphors that has a broad application prospect in agricultural field. In this project, garnet-, magnetoplubite-, perovskite- and spinel-type compounds will be used as main research systems. And this project will focus on the structural design and modification based on the principle of Pauling's rules, charge compensation rules, the ions replacement, inorganic polyhedrons and groups substitution (doped activators including the rare earth ions Eu, Ce, and non-rare earth ions Bi, Mn, Ti and so on). The effects of different synthesis techniques and experimental proceedings on the material structures and compositions will be discussed. The intrinsic correlations and relations of crystal structure, compositions and luminescence properties of the obtained materials will be investigated. And the controlled tuning of excitation, emission, luminescent intensity, chemical and physical stability of the obtained light conversion phosphors will be researched. The investigations and successful completions of this project will establish fundamental foundation and provide basis for effective light convention phosphors used in agricultural domain, and will further develop the future photovoltaic agricultural domain.

目前大量使用的碱土硫化物体系农用转光材料存在阳光照射下或潮湿空气中易分解并放出难闻有毒的H2S气体，使用寿命短等诸多缺陷。本项目从结构设计出发，以石榴石、磁铅矿、钙钛矿和尖晶石结构等化合物为基础，根据鲍林规则和电荷补偿原理，采用离子和基团取代以及基质掺杂(掺杂的激活离子包括Eu, Ce等稀土离子和Bi, Mn, Ti等非稀土离子)等方法，构建一类新型高效的在农业领域具有广阔应用前景的发光材料。研究制备方法和实验条件对材料结构和组成的影响，研究结构、组成和发光性能之间的变化关系和内在规律，实现对转光材料激发、发射波长和发光强度的调控，提高转光材料的化学和光热稳定性。本项目的研究和完成，将为新型高效农用转光材料的探寻提供基础和依据，为未来光伏农业的发展做出贡献。

目前大量使用的碱土硫化物体系农用转光材料存在阳光照射下或潮湿空气中易分解并放出难闻有毒的H2S气体，使用寿命短等诸多缺陷。本项目针对性开展工作并取得了以下主要研究进展：1) 基于结构调控和基质取代的晶体工程策略，较系统地研究了包括硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、硫氧化物等多种体系的转光材料合成及光谱性能调控，拓展了无机农用转光材料的设计理念，丰富了可选用的农用转光剂材料种类。2) 综合运用多种先进的合成技术，对不同体系转光材料的合成工艺进行了优化，包括表面处理方法改善了Mn4+离子激活的铝酸盐性能，水热处理技术获得了纳米尺寸的SrAl2O4:Eu2+荧光粉，sol-gel方法制备了系列碳点/荧光粉复合转光材料，为面向生态高值农业应用的新型农用转光材料提供了可控合成新方法。3) 综合运用晶体学、光谱学等知识，开展了基于转光材料发光性能优化及发光动力学共性规律研究，探讨了光谱调控机理。4) 在氮(氧)化物体系转光材料材料，获得了适用于农业转光膜应用的CaAlSiN3:Eu2+和M2Si5N8:Eu体系转光剂，具有物理和化学稳定性好、光谱匹配性高等优势。该部分研究开发的常压合成技术有利于降低氮(氧)化物体系转光剂的材料成本，为推广其在农业领域的大面积应用提供了技术保证。5) 结合荧光碳点的纳米效应和发光特性，探索开展了基于荧光碳点的植物组织成像研究，进一步拓展了光学农业的内涵。本项目执行期间，共计在Adv. Mater., Adv. Opt. Mater., Cellulose, Nanoscale, J. Mater. Chem. C等杂志上发表论文27篇(SCI收录论文24篇)，其IF大于10的共1篇，IF大于3.0的共计14篇。论文总被引用次数39次，参与撰写英文专著2个章节；授权中国发明专利1项。此外，应邀参加国际及国内学术会议和企业调研，做邀请报告或主题报告共计16人次。培养研究生共计15人。