广岛大学的科学家利用稻壳和化学方法获得的产品制造了世界上第一盏LED灯。鸣谢:ACS可持续化学。在全球范围内，每年碾磨大米以将谷物从外壳中分离出来会产生大约1亿吨的大米废料。科学家们正在寻找一种可扩展的方法来制造量子点，他们开发了一种回收稻壳的方法来制造第一个硅量子点(QD) LED灯。他们的新方法以低成本、环保的方式将农业废弃物转化为最先进的发光二极管。来自广岛大学基础研究和发展自然科学中心的研究小组于2022年1月28日在美国化学学会期刊ACS可持续化学与工程上发表了他们的研究结果。
“由于典型的量子点通常包含有毒物质，如镉、铅或其他重金属，因此在使用纳米材料时经常会考虑环境问题。我们提出的量子点工艺和制造方法最大限度地减少了这些担忧，”该研究的主要作者、广岛大学化学教授Ken-ichi Saitow说。
自20世纪50年代发现多孔硅(Si)以来，科学家们一直在探索其在锂离子电池、发光材料、生物医学传感器和药物输送系统中的应用。无毒，在自然界中大量存在，硅具有光致发光特性，这源于其作为半导体的微观(量子尺寸)点结构。
意识到围绕当前量子点的环境问题，研究人员开始寻找一种制造量子点的新方法，这种方法具有积极的环境影响。事实证明，废弃的稻壳是高纯度二氧化硅(SiO2)和高附加值硅粉的绝佳来源。
该团队使用碾磨、热处理和化学蚀刻的组合来处理稻壳二氧化硅:首先，他们碾磨稻壳，并通过燃烧碾磨稻壳的有机化合物来提取二氧化硅(SiO2)粉末。第二，他们在电炉中加热所得二氧化硅粉末，通过还原反应获得Si粉末。第三，产物是纯化的Si粉末，通过化学蚀刻进一步减小到3纳米大小。最后，对其表面进行化学功能化，以获得高化学稳定性和在溶剂中的高分散性，用3 nm的结晶颗粒制备在橙红色范围内发光的SiQDs，其发光效率超过20%。
(a)日本广岛种植的稻穗。(b)具有由20重量%二氧化硅组成的稻壳的米粒的示意图。(c)稻壳，(d)从稻壳中提取的二氧化硅粉末，和(e)由(d)合成的硅粉末的照片。(f)二氧化硅和(g)硅量子点的壳层结构的电子显微镜图像。硅量子点的光致发光显示(h)照片和(I)光谱。(j)硅量子点发光二极管和(k)硅量子点发光二极管的电致发光光谱。鸣谢:ACS可持续化学。Eng“这是首次从废弃的稻壳中开发LED的研究，”Saitow说，并补充说，硅的无毒特性使它们成为目前半导体量子点的一种有吸引力的替代品。
“目前的方法成为从天然产品中开发环境友好的量子点发光二极管的高尚方法，”他说。
发光二极管被组装成一系列材料层。氧化铟锡(ITO)玻璃衬底是LED阳极；它是电的良导体，同时对光发射足够透明。将附加层旋涂到ITO玻璃上，包括SiQDs层。该材料用铝膜阴极覆盖。
该团队开发的化学合成方法使他们能够评估SiQD发光二极管的光学和光电特性，包括二氧化硅和硅粉末和SiQD的结构、合成产率和特性。
Saitow说:“通过从丰富的外壳中合成高产SiQDs，并将它们分散在有机溶剂中，有一天这些过程可能会像其他高产化学过程一样大规模实施。”
该团队的下一步包括在SiQDs和led中开发更高效率的发光。他们还将探索生产SiQD LEDs的可能性，而不是他们刚刚创造的橙红色。展望未来，科学家们认为他们开发的方法可以应用于其他含有二氧化硅的植物，如甘蔗、竹子、小麦、大麦或草。这些天然产品和它们的废物有可能被转化成无毒的光电设备。最后，科学家们希望看到这种从稻壳废料中制造发光装置的环保方法的商业化。
同样来自广岛大学的研究小组的其他成员包括穗花·上田、志保·寺田和大野泰生。
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