《ACS Environmental Au》：Light-Mediated Enhancement of Carbon Sequestration in Engineered Spathiphyllum
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本研究综述了利用铕、镝共掺杂硫化钙（CaS:Eu,Dy）发光能量存储材料提升白鹤芋光合效率的创新策略。该材料可将入射光（特别是514 nm激发）转化为叶绿素高效吸收的652 nm红光，从而显著增强光合作用。实验表明，处理后的白鹤芋叶片光合效率提升了42%，每日每平方米叶片可额外固定约0.045 mol CO2。该技术不仅为利用室内植物实现碳捕获与封存（CCS）提供了新思路，也因其在暗环境下可发红光而提升了观赏价值，体现了环境功能与美学的融合。
1. 引言
全球工业化、城市化与能源消耗导致二氧化碳（CO2）排放持续增加，加剧了气候变化与生态危机。在此背景下，2050年“净零排放”目标已成为全球气候治理的核心。为实现这一目标，开发高效、可持续且环境友好的碳捕获技术至关重要。自然光合作用以其高效、零污染的方式将CO2固定为碳水化合物，是理想的碳封存模型。然而，植物光合作用的效率受限于光照时长与强度。在光照不足的条件下，其固碳能力无法充分发挥。
本研究由此获得启发，旨在探索一种创新性的碳捕获方法。我们利用磷光体作为能量存储材料，延长光照周期，提升植物的光能利用效率。磷光体是一种在受光源激发后能持续发光一定时间的功能材料，可有效延长光合作用所需的光照。叶绿素主要吸收蓝紫光（Soret带，400-500 nm）和红橙光（Q带，600-700 nm）。因此，开发在此波长范围内发射荧光的磷光体，有助于植物高效吸光。
在众多材料中，碱土金属硫化物（AESs）因化学稳定性好、发光性能优异而成为候选材料。其中，硫化钙（CaS）是一种宽带隙材料，可掺杂多种稀土元素以调节发射波长。例如，铕（Eu）掺杂的CaS在约650 nm处可发射高强度的红光，与叶绿素的红光吸收带非常匹配。而镝（Dy）的共掺杂可进一步延长余辉时间，使材料在激发停止后仍能持续发光。
本研究选择白鹤芋（Spathiphyllum，又称和平百合）作为模式植物，它是一种广泛应用于室内绿化的观赏植物，以茂盛的绿叶和优雅的白色花序著称。据美国国家航空航天局（NASA）研究，白鹤芋位列十大空气净化植物之一，可有效去除甲醛、苯等室内有害气体。其强大的适应性和高光合效率使其成为研究磷光体增强光合作用的理想对象。
2. 实验方法
本研究合成了铕、镝共掺杂的硫化钙（CaS:Eu,Dy）磷光体。通过湿化学共沉淀法，以氯化钙、硝酸铕、硝酸镝和硫化钠为原料，在乙醇溶剂中反应，经离心、干燥后得到磷光体粉末。为获得更优的发光性能，粉末随后在氩气（95%）和氢气（5%）的混合气氛中于900 °C下煅烧4小时，此过程成功将Eu3+还原为发光更强的Eu2+。
鉴于CaS基材料在空气中易吸湿降解，我们在磷光体表面包覆了一层二氧化硅（SiO2）以增强其耐湿性和环境稳定性。具体方法是将磷光体粉末分散在乙醇溶液中，加入氨水和去离子水作为催化剂，再滴加正硅酸乙酯（TEOS），室温搅拌反应12小时，得到SiO2包覆的CaS:Eu,Dy（SiO2@CaS:Eu,Dy）材料。
为评估材料效果，我们将0.1 g的SiO2@CaS:Eu,Dy与1 g生物相容性水性树脂混合，制成涂料，均匀涂覆在白鹤芋叶片表面。通过一系列仪器对材料进行表征，包括X射线衍射（XRD）、扫描/透射电子显微镜（SEM/TEM）、光致发光光谱、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等。同时，使用叶绿素荧光仪和便携式光合作用测量系统评估了叶片涂覆材料前后的生理状态和光合效率变化。
3. 结果与讨论
材料表征：XRD图谱显示，合成的三种不同Dy掺杂浓度（0.1%， 0.25%， 0.5%）的磷光体主峰位置与标准CaS谱图一致，表明掺杂未明显改变CaS晶体结构，样品结晶性良好。SEM和TEM图像显示，CaS:Eu,Dy颗粒呈多边形，粒径均匀，约800 nm。包覆SiO2后，可见约150 nm的二氧化硅球形颗粒附着在磷光体表面，证实了包覆成功。ICP-MS分析确认了Eu和Dy元素成功掺入CaS晶格，实际掺杂浓度与投料比相符。
光学性能：光致发光光谱显示，三种磷光体的激发光谱覆盖450-600 nm，最大激发峰在514 nm。其发射光谱在600-700 nm有窄峰，最大发射峰位于652 nm，对应于红光，这源于Eu2+从4f65d1激发态到4f7基态的电子跃迁。比较发现，CaS:0.5%Eu,0.25%Dy样品不仅发光强度最高，其余辉寿命也最长，达到2.392秒，被确定为最佳掺杂配比。
叶片应用与荧光观察：将最佳配比的CaS:0.5%Eu,0.25%Dy磷光体涂于白鹤芋叶片。荧光显微镜图像显示，磷光体均匀分布于叶片表面，在激发下发出明显的红色荧光。这证实了材料在叶片表面的稳定附着，其高效的荧光特性为叶绿体提供了额外有效光源。
生理与光合效应：通过叶绿素荧光OJIP曲线和JIP-test参数分析，涂有磷光体的叶片与对照组相比，表现出更低的耗散能量（DI0/RC），表明用于光化学反应的光能比例增加。其中，CaS:0.5%Eu,0.25%Dy处理组的电子传递至光系统I（RE0/RC）显著升高，总性能指数（PItotal）最高，表明其光合效率最优。最关键的是，光合速率测定结果显示，经CaS:0.5%Eu,0.25%Dy处理的叶片光合速率最高，相比对照组提升了42%。量化计算得出，每平方米叶片每日可多固定约0.045 mol的CO2，总固碳量达到0.152 mol m-2day-1。
长期稳定性与附加价值：为期28天的连续监测表明，磷光体复合材料在叶片上附着稳定，未对植物生理造成负面影响，各项光合系统II（PSII）和光系统I（PSI）活性参数与对照组重叠或更优，证实植物生长健康。除了增强固碳，该材料还展现出能量存储与延迟发光特性。在黑暗中，经处理的叶片表面可发出红色光芒。这一现象不仅证明了材料的功能性，也为室内园艺植物增添了新颖的美学与观赏体验，显著提升了其作为室内绿植的装饰价值。
4. 结论
本研究成功合成了一种能在652 nm发射红光的CaS:Eu,Dy磷光体，其中CaS:0.5%Eu,0.25%Dy具有最佳的发光性能与余辉时间。将其应用于白鹤芋叶片后，不会影响植物的生理状态，植株在整个28天的监测期内保持健康。更重要的是，处理后的叶片光合效率显著提升，每日每平方米叶片可多固定约0.045 mol CO2，总计相比对照组多固定8.512 mol CO2m-2，固碳能力提升42%。这有效增强了植物作为碳汇的潜力。同时，叶片在暗环境中发出的红色荧光进一步增强了其在室内空间的观赏价值和美学吸引力。这项研究为利用功能材料增强室内植物光合固碳、服务于碳中和目标提供了一种创新且具有应用前景的技术路径。
