近日，兰州大学材料与能源学院王育华教授课题组在植物生长用发光材料领域取得了新进展。该团队通过化学单元共取代策略，成功开发了新型深红发光材料Ca_1-zSr_zLi_1-xMg_2xAl_3-xN₄:yEu²⁺，并详细研究了化学单元共取代([Mg-Mg]⁴⁺取代[Li-Al]⁴⁺)对结构和发光性能的影响。

随着人口增长和气候变化，室内种植成为重要的粮食来源。然而，传统LED照明和水培系统成本高昂，限制了其大规模应用。光转换薄膜可以优化植物吸收的太阳光波长，促进植物生长。但是现有材料大多对植物生长所需的浅蓝光吸收过多，且红光发射效率低。因此，迫切需要开发出具备高量子效率且能在绿光激发下发光的红色荧光粉，以应用于光转换膜，从而更有效地促进植物生长。

Ca1-zSrzLi1-xMg2xAl3-xN4:yEu2+转光膜促进植物生长的应用

为了解决上述关键科学问题，王育华教授课题组运用价层电子对互斥理论(VSEPR)对CaLiAl₃N₄(CLA)结构的不稳定性进行了深入分析。研究发现，CLA结构中的LiN₄四面体键角小于90°，这是导致结构不稳定的主要因素。根据VSEPR理论的预测，课题组采取了[Mg-Mg]⁴⁺取代[Li-Al]⁴⁺的策略，以增大四面体体积，从而增大键角，增强结构的稳定性。基于这一研究成果，团队成功制备了CLA-2xM-zS粉末样品。通过化学单元共取代，不仅提高了样品的结构稳定性，还实现了在646nm-688nm范围内的发射波长可调节。CLA-2xM-zS粉末样品在蓝绿光(400nm-600nm)范围内均可被有效激发，并发射出深红色的光。用 CLA-0.4M-0.8S制备的光转换膜进行实验，发现光转换膜的光密度(OD)比 PP 膜的提高了20% ，比无光转换膜的对照组提升了97.5%。该材料将植物不需要的绿光转换为能促进生长的深红光，并通过Sr掺杂形成陷阱中心，实现红移发射，与植物叶绿素吸收峰匹配。此外，该材料具有优异的发光强度、化学稳定性和高量子效率，在促进植物生长方面展现出巨大潜力。

相关研究成果以“Enhanced Stability and Brightness through Co-Substitution: Promoting Plant Growth with Green-Excited Deep Red Phosphor Ca_1-zSr_zLi_1-xMg_2xAl_3-xN₄:yEu²⁺”为题于2024年11月16日发表在《先进材料》[Advanced Materials.2024. 2414578]。

兰州大学材料与能源学院硕士研究生王鹏鹏为本论文第一作者，王育华教授和濑户孝俊教授为本文通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目(U22A20136)以及甘肃省工业和信息化厅2024年省重点人才计划项目的支持。

内容来源 | 兰州大学材料与能源学院

文、图 | 王鹏鹏

编辑 | 武慧宇

责编 | 彭倩