Tm2 O3 调控月壤基玻璃陶瓷的结晶行为与荧光特性及其在月球基地植物光照中的应用

　　针对月球基地建设中植物光照系统的材料需求，研究人员通过模拟月壤成分（CLRS-1）制备Tm3+ 掺杂SiO2 -MgO-CaO-Al2 O3 玻璃陶瓷（SMCA-Tm），发现0.3 mol% Tm3+ 掺杂可优化结晶动力学（活化能最低267.08 kJ/mol）并提升荧光寿命至23.27 μs，相分离现象显著增强蓝光发射强度，为月壤原位资源化（ISRU）提供新型光学材料解决方案。

　　

月球基地的可持续发展需要解决两大核心问题：如何利用月壤原位制备功能性材料，以及如何为封闭环境提供高效能源与生命支持系统。月壤中富含的硅酸盐成分理论上可通过熔融电解同步实现氧提取和玻璃材料制备，但高FeO含量会严重淬灭荧光性能。针对这一挑战，中国研究人员基于中国月壤模拟物CLRS-1的化学成分，创新性地设计出Tm³⁺
掺杂的多元玻璃陶瓷体系（SMCA-Tm），相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用传统熔融淬火法结合热处理工艺，通过差示扫描量热法（DSC）分析结晶动力学，结合扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察相分离现象，并利用荧光光谱仪测定光学性能。

材料与合成
以57.78SiO₂
-14.96MgO-10.57Al₂
O₃
-9.36CaO为基础体系，添加0-4 mol% Tm₂
O₃
，1550°C熔融4小时制备玻璃前驱体。

Tm³⁺
对玻璃结构的影响
红外光谱显示，随着Tm³⁺
浓度增加，670 cm^-1
处Mg-O振动峰向低频偏移，表明Tm³⁺
破坏了[MgO₆
]八面体网络结构。

结晶行为与相分离
DSC分析揭示结晶活化能呈"V"型变化（343.42→267.08→338.66 kJ/mol），0.3 mol% Tm³⁺
时达到最低值。TEM证实相分离形成富Ca区（生成CaAl₂
Si₂
O₈
）和富Si区（生成Mg₂
Al₄
Si₅
O₁₈
），显著减少光学捕获效应。

荧光性能优化
0.3 mol% Tm³⁺
掺杂样品经晶化后荧光强度提升2倍，寿命达23.27 μs。高浓度Tm³⁺
（>0.7 mol%）引发的相分离通过隔离发光中心抑制浓度淬灭。

该研究首次证实月壤基玻璃陶瓷可实现高效蓝光发射（主峰位于456 nm），其性能提升机制源于：1）结晶降低非辐射跃迁；2）相分离优化Tm³⁺
局域环境。这为月球基地植物工厂的照明系统提供了材料制备新范式，同时拓展了月壤资源的高值化应用路径。Haoye Gu、Wenjie Ge等作者特别指出，该材料体系与熔融电解氧提取工艺具有天然兼容性，未来可构建"氧-材料联产"的闭环资源利用系统。