农膜用蓝光纳米氟化钙的制备及荧光增强研究

摘要

设施农业是现代农业建设的重要组成部分，具有高品质、高产量、高效益等特点，是现代农业的重要标志。作为现代设施农业的主要模式之一，温室大棚农膜也是我国农业大力推进的“种子、温室、生物、绿色”四大工程之一。而转光农膜是控制性功能农膜，它不仅能够保持高透光、高保温的功能，而且还能根据不同作物的生长需求调控入射光的透过率、漫反射，从而改善作物的生长环境，促进植物的光合作用，提高作物的产量和品质。植物生物量与产量形成的基础是光合作用，它能够促进植物光合作用的光波长主要集中在400-480 nm的蓝紫光和600-700 nm的橙红光；波长小于380 nm的紫外光会减少植物叶面积，抑制下胚轴伸长、降低光合作用，导致植物病变；植物则对黄光的需求量较小。因此，转光农膜的主要目的是将太阳光的全光谱转换成植物光合作用需要的蓝红光。转光剂是产生这种转换的农膜助剂，而纳米转光剂则是在传统转光剂的基础上优化的新型转光剂。目前为止所报道的转光剂中，大部分存在化学稳定性差、荧光寿命短、合成工艺复杂等问题。因此，研发化学稳定性好、发光性能好、与PE薄膜相容性好的纳米转光剂具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文以转光膜为背景，针对植物叶绿素的特征吸收光谱，合成氟化钙纳米转光剂及荧光增强，其发光性能为400-480 nm宽峰发射，发射峰为425 nm。利用 X射线衍射仪(X-ray Diffraction，简称 XRD)、X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS)、场发射扫描电镜(Field Emission Scanning Electron Microscopy，简称 FESEM)、高分辨投射电镜(High Resolution Transmission Electron Microscopy，简称 HRTEM)、荧光分光光度计(Spectrofluorometer)、紫外-可见分光光度计(Ultraviolet-Visible Spectrophotometer，简称UV-VIS)，电感耦合等离子体质谱仪(Inductively Coupled Plasma Source Mass Spectrometer，简称ICP-MS)、顺磁共振波谱仪(Electron Paramagnetic Resonance Spectro meter，简称EPR)等分析技术对其晶体结构、元素组成、形貌特征及荧光特性等进行表征。主要研究内容包括：
　　（1）共沉淀法合成表面活性剂修饰的CaF2:Eu2+蓝光纳米转光剂。在合成过程中，用乙醇作为溶剂，利用表面活性剂的作用制备前驱体，并在空气中高温煅烧前驱体制备出纳米CaF2:Eu2+。研究阴离子型、阳离子型和非离子型的表面活性剂对晶体结构和发光性能的影响。对样品的形貌、发光性能等进行了测试分析。结果表明，在煅烧过程中，Eu3+发生自还原。这一过程可以通过基于取代缺陷为基础的电荷补偿模型进行解释。不同类型的表面活性剂对发光有不同影响。阴离子表面活性剂诱导发光猝灭；在阳离子表面活性剂作用下，制备出形貌均一，发光稳定的纳米材料。
　　（2）研究柠檬酸配体耦合纳米银(C it-Ag)的表面等离子体共振增强CaF2:Eu2+蓝光纳米转光剂的发光效果。利用XRD、XPS、TEM、荧光光谱等表征研究C it-Ag对CaF2:Eu2+发光性能的影响；Cit-Ag的用量对样品量子效率和寿命等的影响；反应时间和温度等对样品形貌的影响；表面等离子体公正增强荧光机理。结果表明，在Cit-Ag的催化Eu3+的情况下，水热法一步合成CaF2:Eu2+蓝光纳米材料，最佳反应条件为200℃，反应时间为20 h，C it-Ag用量为200μL。纳米银是理想的共振增强荧光材料。表面等离子体共振对增强CaF2:Eu2+的发光性能具有重要意义。C it-A g的加入提高样品的辐射速率、降低非辐射衰减速率和提高量子产率，从而增强发光性能。随着C it-A g用量的增加，样品荧光强度发生猝灭。
　　（3）研究柠檬酸配体耦合纳米金(C it-Au)催化还原Eu3+并合成CaF2:Eu2+蓝光纳米转光剂。合成过程中，利用NaBH4作为还原剂，Cit-Au作为催化剂，无需煅烧，一步合成 CaF2:Eu2+蓝光纳米材料。研究柠檬酸配体耦合纳米金(C it-Au)对 Eu3+催化还原和 CaF2:Eu2+发光性能的影响；Cit-Au的用量对样品发光性能、量子效率和寿命等的影响；不同尺寸的纳米金对发光性能的影响；反应时间、温度、pH值和还原剂NaHB4的用量等对样品荧光性能的影响；Cit-Au催化还原Eu3+机理。结果表面，在柠檬酸配体耦合纳米金(C it-Au)的强催化作用下，NaBH4趋向于释放电子，水热法一步合成 CaF2:Eu2+蓝光纳米材料，最佳反应条件为200℃，18 h。由于表面等离子体共振作用，附着在CaF2:Eu2+表面的C it-Au对其荧光有所增强。根据不同尺寸纳米金的催化效果，发现尺寸越小荧光增强效果越明显。
　　本文对于氟化钙纳米转光剂的研究为农膜用蓝色纳米转光剂的选择提供了具有极其重要的参考意义。

目录

声明

1 前言

1. 1 研究背景

1. 2 光对植物的意义

1. 3 转光农膜

1. 4稀土纳米粒子发光特性

1. 5 转光剂的研究

1. 6 氟化钙基质及Eu2+的发光性质

1. 7 本课题的主要研究内容

1. 8 本文创新点

2 材料与方法

2. 1 实验试剂

2. 2实验仪器

2. 3 样品的表征

2. 4 合成过程

3 结果与分析

3. 1共沉淀法合成不同表面活性剂修饰的CaF2:Eu2+纳米转光剂

3. 2 水热法合成纳米银表面等离子体共振荧光增强CaF2:2.5%Eu2+纳米转光剂的结构表征与性能研究

3. 3 水热法合成纳米金催化还原CaF2:2.5%Eu2+纳米转光剂的性能表征及荧光增强的研究

4. 1 结论

4. 2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文