农业大棚用Cr3+激活氧化铝微晶玻璃、制备及其应用

摘要

本发明公开了一种农业大棚用Cr3+激活氧化铝微晶玻璃、制备及其应用。该微晶玻璃是在低熔点玻璃材料中掺杂1-10wt%的Al2O3与Cr2O3混合物，所述Al2O3与Cr2O3混合物中，Cr2O3掺杂浓度为0.1-1mol%。本发明所制备的微晶玻璃材料，可对光进行选择性吸收和透过。该玻璃微晶可以用于农业大棚，具有可长期使用的优点，从而解决了薄膜类光置换产品所带来的污染和浪费等问题，符合未来植物生长用转光材料的发展趋势。

说明书

所属领域

本发明属于下转换发光材料领域，具体地说是Cr³⁺激活氧化铝微晶玻 璃、制备及其应用。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的能源。研究表明，太阳光中不同波段 的光对植物生长发育有着不同的作用。到达地球表面的太阳光能量主要 集中在光谱范围从290nm-3000nm的范围内。其中波长为290-400nm的紫 外光促进枝干的老化和病菌繁殖，对植物的生长有不良影响；波长为 500-600nm的黄绿光对植物无害无利；波长为400-500nm的蓝光和波长为 600-700nm的红光能够促进植物的光合作用，并且蓝光有利于植物营养器 官（如茎、叶等）的生长，红光有利于植物的花朵、果实等方面的生长。 而太阳光最强的部分为绿光，将没有被利用的绿光转换为红光促进花与 果实的生长是一个有意义的事情。

早在1976年，日本“农业用光线选择利用技术研究协会”就报道过 掺杂蓝色荧光、红色荧光助剂的聚氯乙烯薄膜。1982年，日本山添胜彦 等人将稀土荧光化合物添加到聚苯乙烯制成发光聚合物。1985年，俄罗 斯Golodkova L N等人将稀土荧光化合物加入到PVC等树脂中制成了温 室薄膜。我国转光农膜始于二十世纪80年代。1989年中科院长春物理研 究所李文连等人将稀土荧光助剂掺入到PVC树脂，制成光转换蔬菜大棚 薄膜。1992年中科院广州能源研究所等单位制成了L-蓝光膜，用于水稻 育秧。1997年中科院电子研究所采用有机荧光化合物作为转光剂，也研 制出了转光膜。然而有机薄膜存在着不可忽视的污染和浪费。

发明内容

本发明的目的是要提供一种将可见光转换为近红外光，以促进植物 生长的农业大棚用Cr³⁺激活氧化铝微晶玻璃，制备方法及其应用。

本发明是这样实现的：

农业大棚用Cr³⁺激活氧化铝微晶玻璃，在低熔点玻璃材料中掺杂 1-10wt%的Al₂O₃与Cr₂O₃混合物，所述Al₂O₃与Cr₂O₃混合物中，Cr₂O₃掺杂 浓度为0.1-1mol%。

所述的Cr³⁺激活氧化铝微晶玻璃，所述Al₂O₃与Cr₂O₃混合物中，Cr₂O₃掺杂浓度优选为0.3-0.5mol%。

所述的Cr³⁺激活氧化铝微晶玻璃，所述低熔点玻璃材料选用碲酸盐玻 璃。

所述的Cr³⁺激活氧化铝微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

（1）将Al₂O₃与Cr₂O₃混合，1550-1650℃高温灼烧2小时，1600-1700 ℃灼烧0.5小时，自然冷却，得到Al₂O₃与Cr₂O₃混合物；

（2）将第（1）步所得混合物与低熔点玻璃组分混合，放入高温炉 在620-680℃熔制2小时，在350-450℃下退火2-8小时，制得Cr³⁺激活 氧化铝微晶玻璃。

所述的Cr³⁺激活氧化铝微晶玻璃用于农业大棚。

Cr³⁺激活的氧化铝是最早的激光介质，由于其强的晶体场，使Cr³⁺在 693nm有较强的发射，特别是其具有较宽的激发光谱，可覆盖从 340nm-620nm的几乎全部的可见光；而吸收峰分别位于400及552nm，两 吸收峰之间的光（对植物营养器官生长有利的蓝光）的大部分可以透过。 这相当于选择性地把对植物有利的光透过，而把对植物有害和无用的光 转换为有用的红光，因此十分适宜用于植物生长用光转换材料。但是， 由于晶体的苛刻的生长条件，使其应用受到了限制。Cr³⁺在粉体材料中具 有在晶体中同样的性质，但粉体的不透光性使其在上述应用方面存在无 法跨越的障碍。本发明中，Cr³⁺激活的氧化铝采用高温固相法制备，氧化 铝具有较高熔点，其与低熔点的玻璃原料（如碲酸盐）相互混合，在较 低温度下使低熔点的玻璃融化后将Cr³⁺激活的氧化铝包覆形成微晶玻璃。 该微晶玻璃材料既具有晶体的良好发光特性又具有玻璃的透光性，其对 于波长小于400nm的光（有害的紫外光）有较强的吸收，被吸收的太阳 光转换为对植物生长有利的近红外光，未被吸收的可见光能够透过，从 而提高了红外光在透过光的比例。

本发明所制备的微晶玻璃材料，可对光进行选择性吸收和透过。该 玻璃微晶可以用于农业大棚，具有可长期使用的优点，从而解决了薄膜 类光置换产品所带来的污染和浪费等问题，符合未来植物生长用转光材 料的发展趋势。

附图说明

图1为Cr₂O₃在Al₂O₃中的掺杂浓度（mol％）为0.5%时所制成的 粉色粉末状混合物的激发和发射光谱。实线为监测波长为696nm的光的 激发光谱，虚线为波长为396nm的光激发下的发射光谱。

图2为不同Cr³⁺掺杂浓度的Al₂O₃发光粉在波长为400nm的光激发下 的发射光强度对比图。

图3为图1中的粉色粉末状混合物以掺杂浓度（wt％）为1%，2%， 3%，4%，5%，10%掺杂于玻璃基质中所制成的微晶玻璃的透射光谱。

图4为图1中粉色粉末状混合物以掺杂浓度（wt％）为1%，2%，3%， 4%，5%，7%10%掺杂于玻璃基质中所制成的玻璃样品。

图5为图1中的粉色粉末状混合物以掺杂浓度（wt％）为10%掺杂 于玻璃基质中所制成的微晶玻璃的X射线衍射图。

实施例1-实施例7

将Al₂O₃与Cr₂O₃分别按表1所示比例混合，放入高温炉中灼烧，1600 ℃灼烧2小时，1650℃灼烧0.5小时，自然冷却，得到粉色粉末状混合 物。

实施例8-实施例14

（2）按TeO₂：Na₂CO₃：ZnO：BaCO₃=7:1:1:1（摩尔比）量取各组分 作为玻璃形成基质，将玻璃形成基质与第（1）步所制粉色粉末状混合 物（实施例4）按表2所述比例均匀混合，于高温炉中650℃熔制2小时， 在400℃下退火2小时，制得Cr³⁺激活氧化铝微晶玻璃。再对形成的玻璃 片两面抛光。

表1

表2

选取实施例4所制的Al₂O₃与Cr₂O₃混合物，测试其激发和发射光谱， 如图1所示。其中，实线为监测波长为696nm的光的激发光谱，虚线为 波长为400nm的光激发的发射光谱。从图1可以看到本发明所制备的Al₂O₃与Cr₂O₃混合物在可见光有宽带吸收，峰值分别位于400nm和550nm，蓝 光（波长为400-500nm）大部分可以透过，发射光是位于696nm的锐线发 射。

取实施例1-7所制Al₂O₃与Cr₂O₃混合物，测试其在波长为400nm的光 激发下的发射光强度，得如图2所示的发射光强度对比图。从图2中可 以看出，Cr³⁺掺杂浓度为0.3-0.5mol%时，发射光强度最强,掺杂浓度达到 1mol%时，发射光强度明显降低，掺杂浓度为5-10mol%时，样品的发光 强度已经非常弱。

取实施例8-实施例12及实施例14所制微晶玻璃，测试其透射光谱 如图3所示。图中自上而下依次为实施例8-实施例12及实施例14所制 样品所对应的透射光谱。从图3可以看到玻璃样品对波长小于400nm的 光有较强的吸收，表明其能将有害紫外光吸收。

图4所示的玻璃样品自左至右为实施例8—实施例14所制成的玻璃 样品。随粉末状掺杂物浓度越高，下转换效率越高，但所制玻璃的不透 明度越高，即透光率越差，当然其对有益光（蓝光）的透过率也越低。 实际使用时，应根据需要，通过调节Al₂O₃与Cr₂O₃混合物在玻璃基质中的 掺杂浓度来选取透光率与下转换效率之间的平衡点，以得到最好的使用 效果。

图5为实施例14所制玻璃样品的X射线衍射图，锐线为氧化铝的衍 射峰，由此表明本发明所制玻璃中的氧化铝是以微晶形式存在的，从而 可有效保证Cr³⁺是在氧化铝的晶体中产生发射。