世界上第一个用稻壳开发的LED灯

广岛 大学

广岛大学的科学家们利用稻壳和化学产品创造了世界上第一个 LED 灯。学分：ACS 可持续化学。英文

碾米以从稻壳中分离谷物每年在全球产生约 1 亿吨稻壳废料。寻找制造量子点的可扩展方法的科学家们已经开发出一种回收稻壳的方法，以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物转化为最先进的发光二极管。

广岛大学自然科学基础研究与开发中心的研究小组于 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涉及有毒物质，例如镉、铅或其他重金属，因此在使用纳米材料时经常考虑环境问题。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问题，”负责人 Ken-ichi Saitow 说研究作者，广岛大学化学教授。

自1950 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。Si 无毒且在自然界中大量存在，具有光致发光特性，这源于其用作半导体的微观（量子尺寸）点结构。

意识到围绕当前量子点的环境问题，研究人员着手寻找一种制造具有积极环境影响的量子点的新方法。事实证明，废弃稻壳是高纯度二氧化硅 (SiO 2 ) 和高附加值硅粉的极好来源。

该团队结合使用碾磨、热处理和化学蚀刻来加工稻壳二氧化硅：首先，他们碾磨稻壳并通过烧掉碾磨稻壳的有机化合物来提取二氧化硅 (SiO 2 ) 粉末。其次，他们在电炉中加热得到的二氧化硅粉末，通过还原反应得到硅粉末。第三，产品是经过化学蚀刻进一步减小到 3 纳米尺寸的纯化硅粉。最后，对其表面进行化学功能化，以实现高化学稳定性和在溶剂中的高分散性，用 3 nm 的结晶颗粒产生在橙红色范围内发光的 SiQD，发光效率超过 20%。

(a) 日本广岛种植的稻穗。(b) 稻壳的示意图，稻壳由 20 wt% SiO2 组成。(c) 稻壳、(d) 从稻壳中提取的 SiO2 粉末和 (e) 由 (d) 合成的 Si 粉末的照片。(f) SiO2 的壳结构和(g) Si 量子点的电子显微镜图像。Si量子点的光致发光显示（h）照片和（i）光谱。(j) 硅量子点 LED 和 (k) 硅量子点 LED 的电致发光光谱。学分：ACS 可持续化学。英文

“这是第一项利用废弃稻壳开发 LED 的研究，”Saitow 说，并补充说，硅的无毒品质使其成为当今可用的半导体量子点的有吸引力的替代品。

“本方法成为从天然产物中开发环保量子点 LED 的一种崇高方法，”他说。

LED 组装成一系列材料层。铟锡氧化物 (ITO) 玻璃基板是 LED 阳极；它是一种良好的电导体，同时对光发射具有足够的透明性。额外的层被旋涂到 ITO 玻璃上，包括 SiQD 层。该材料用铝膜阴极封盖。

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性能，包括 SiO 2和 Si 粉末和 SiQD 的结构、合成产率和性能。

“通过从丰富的果壳中合成高产 SiQD 并将它们分散在有机溶剂中，有朝一日这些工艺可以像其他高产化学工艺一样大规模实施，”Saitow 说。

该团队的下一步包括在 SiQD 和 LED 中开发更高效率的发光。他们还将探索生产除了他们刚刚创造的橙红色以外的 SiQD LED 的可能性。展望未来，科学家们建议他们开发的方法可以应用于其他含有 SiO 2的植物，例如甘蔗竹子、小麦、大麦或草。这些天然产物及其废物可能具有转化为无毒光电器件的潜力。最终，科学家们希望看到这种利用稻壳废料制造发光装置的环保方法商业化。

研究小组的其他成员也来自广岛大学，包括 Honoka Ueda、Shiho Terada 和 Taisei Ono。