南京师范大学周宁琳教授Chemical Engineering Journal: 促进植物生长的防结冰超疏水涂料

引用格式：

Xu, Xiaoyu, et al. "Agricultural light-converting anti-icing superhydrophobic coating for plant growth promotion." Chemical Engineering Journal (2024): 153286.

农用涂料通过显著改善植物生长环境，加速植物发育，提高植物的生物品质，在应对全球粮食危机中发挥着至关重要的作用。但是，由于日照利用率有限，地表结冰导致植物光合作用减弱，导致透光率降低，成本高，存在一定的制约因素。在这项研究中，提出了一种具有成本效益且易于扩展的超疏水光热光转换涂层，作为改善最佳植物生长所需的光条件的手段。通过在蒙脱土(MMT)表面和层间原位生长碳点(CDs)，并在蒙脱土表面水解聚合氟化烷基硅烷(FAS)，合成了具有微纳结构的光转换超疏水材料(CDs/MMT)。这些材料表现出适合植物光合作用的广谱荧光发射。将它们分散到环氧树脂(ER)基体中，得到一种农业超疏水涂层(ER-CDs/MMT)。“光吸收-捕获-转换”效应赋予涂层特殊的被动防冰和主动除冰性能。此外，室外种植试验表明，利用光散射和光转化特性，可以显著改善光环境，提高大豆和牵牛花的生物品质。这强调了它在下一代设施农业中的巨大应用潜力。

图1. (a)光转换光热超疏水材料的合成工艺示意图：(b)CDs的TEM图像和尺寸分析；(c)cd的HRTEM图像；(d)CDs/MMT的SEM图像；(e)XRD图谱。

图2. (a)紫外/可见吸收光谱;(b)、(c)光致发光(PL)发射光谱;(d) CDs/MMT的时间分辨光致发光(TRP)衰减曲线。

图3. (a) ER-CDs/MMT涂层的WCA；(b)多腔微纳结构超疏水涂层示意图;(c) ER-CDs/MMT涂层截面的SEM图像;(d) ER-CDs/MMT涂层的三维CLSM图像;(e) ER-CDs/MMT涂层的SA;(f) ER-CDs/MMT表面圆形水珠的动态CA形貌;(g)水滴在ER-CDs/MMT涂层上的弹跳图像。

图4. (a) ER-CDs /MMT和;(b) ER涂层的自清洁能力;(c) 200 g载荷下ER-CDs/MMT涂层机械往复磨损过程中水接触角和滑动角的演变;暴露于(d)紫外线照射;(e)极端温度(-80℃和200℃)后涂层的水接触角和滑动角的变化。

图5. (a) 635 nm激光照射下ER和ER- CDs /MMT表面的红外相机图像;(b)不同涂层的光热-加热曲线;(c)不同涂层在反复加热-冷却循环过程中的温度变化;(d)水滴在涂层上冻结过程的连续照片;(e)光热自除冰机理图;(f)涂层上结冰水滴融化过程的连续照片。

图6. (a) - (c) 30天不同大棚大豆和牵牛花生长状况图；(d)三种温室的透光率；(e)连续6天不同温室光强比较；(f) ER-CDs/MMT涂层的光散射。

图7.植物一个月的生长曲线图:(a)大豆；(b)牵牛花；(c)叶绿素含量对比图；(d)阀杆长度对比图；(e)茎径对比图；(f)根长度比较图；大豆(g)-(i)和牵牛花(j) -(l)分别在ER、ER- CDs和ER- CDs /MMT三个温室中30天后的照片。

总结与展望综上所述，本次提出了一种基于CDs原位生长到MMT以构建微纳米结构的可扩展光转换超疏水涂层，实现了良好的光转换和超疏水性能。CDs/MMT具有较宽的荧光发射范围，不依赖于激发波长，并且集成了上转换和下转换的发光特性，有利于拓宽植物利用太阳光的范围。由于CD的微纳层次结构和光吸收特性，ER-CDs/MMT涂层具有被动防冰和主动光热除冰能力。鉴于这些优点，ER-CDs/MMT涂层有潜力作为农业光转换涂层，以改善光照条件和刺激植物生长。大豆和牵牛花室外栽培试验结果表明，涂膜能有效促进植株生长发育，显著提高植株茎长、茎粗、根长和叶绿素含量。因此，ER-CDs/MMT涂层在提高作物品质、先进设施农业实践和促进新型农业设施发展方面具有广阔的应用前景。 
原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153286

相应的成果以“Agricultural light-converting anti-icing superhydrophobic coating for plant growth promotion”为题发表在Chemical Engineering Journal上，文章通讯作者为南京师范大学周宁琳教授。

来源：超疏水防冰表面研究站