慧正資訊，日前南京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊在《國際陶瓷 Ceramics International》發(fā)表論文，首次發(fā)現(xiàn)青色顏料KMgCuPO₄其近紅外太陽反射率和熱屏蔽能力均優(yōu)于商業(yè)顏料涂層，因此可完全替代商業(yè)顏料，滿足建筑應(yīng)用中對美學(xué)色彩和節(jié)能的要求。

研究背景

城市化導(dǎo)致大都市中心與其周圍環(huán)境之間的溫差不斷擴(kuò)大，使城市熱島效應(yīng)變得更糟。因此，該市制冷設(shè)備的能源使用量也顯著增加，預(yù)計到 2050 年，這一需求將增加兩倍。通過使用智能窗膜、具有高近紅外反射率的建筑涂料、種植更多的綠色植被以及設(shè)計具有獨特外觀的建筑物，可以減少城市熱島效應(yīng)。在有效性、可靠性和可行性方面，具有高近紅外反射率的“冷顏料”是其中脫穎而出，成為城市熱島效應(yīng)的潛在補救措施。白色顏料缺乏美觀性且易受污漬影響，而當(dāng)代顏料研究的主要領(lǐng)域之一是開發(fā)具有高近紅外反射率的彩色顏料。因此，近紅外反射型彩色顏料正日益受到關(guān)注，其有望為緩解城市熱島效應(yīng)提供新的解決方案。

成果簡介

在這項研究中，研究人員合成了以KMgPO4為基體的無機(jī)顏料，并制備了一系列全色系（紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫）無機(jī)顏料，其通式為K_1-yBi_yMg1-xM_xP_1-zVzO₄(M = Fe₂Cr₂Cu₂Co₂Mn)。并詳細(xì)研究了顏料的光學(xué)特性，以開發(fā)節(jié)能環(huán)保的高近紅外反射顏料，并制備了基于最佳顏料的涂層，可用于汽車和建筑。

全色顏料的XRD和XPS譜圖證實了基體中存在 K、Mg 和 P 元素，并表明存在其他摻雜元素。異相相的形成、部分相變的出現(xiàn)均對相結(jié)構(gòu)沒有任何影響，這些在放大的 XRD圖譜中可以清楚地識別出來。當(dāng)摻雜離子滲入KMgPO4晶格時，它們作為發(fā)色團(tuán)，產(chǎn)生鮮艷的顏色。

化學(xué)穩(wěn)定性測試結(jié)果表明，紅色、黃色、綠色、青色和藍(lán)色顏料的色差值均低于5，符合允許的范圍。綠色、青色和紫色顏料在高溫下與玻璃熔體結(jié)合后，保留了其原有的鮮艷色調(diào)，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫應(yīng)用性能。顏料的近紅外太陽反射光譜圖顯示除青色顏料外，其余顏料的 R* 值超過 50%，黃色顏料在 0.1V，Bi 時達(dá)到最大值 93.4%。每種顏色合成的顏料的所有 R* 值都超過了商業(yè)顏料的 R* 值，這表明所制備的顏料（不包括青色）具有作為冷涂料的潛力。

與商業(yè)顏料涂料相比，樣品顏料的涂層表面表現(xiàn)出優(yōu)異的熱屏蔽能力。0.1 V Bi 黃色顏料涂層具有卓越的熱反射性能，最終表面溫度僅為 63.3°C。該溫度比鐵黃顏料涂層低 6.6°C，比熱反射性能最差的鐵藍(lán)涂層低 11.8°C。表明由樣品顏料制成的涂料表現(xiàn)出卓越的熱反射性和鮮艷的色彩，使其能夠完全替代商業(yè)顏料。用于外墻時，這些顏料涂料既具有裝飾性，又能夠大大降低夏季空調(diào)的能耗。

圖文導(dǎo)讀

圖1. KMgPO4的結(jié)構(gòu)以及發(fā)色團(tuán)離子摻雜對其結(jié)構(gòu)的影響。(a)全彩顏料的XRD圖譜。(b)全彩顏料在 27-30° 下放大的 XRD 圖譜。(c)顏料樣品的拉曼圖。(d)0.15Fe、0.1V、Bi共摻雜、0.1Cr、0.3Cu、0.1Co和0.2Mn測試樣品對應(yīng)的不同摻雜離子的XPS精細(xì)光譜。(e) KMgPO₄的晶體結(jié)構(gòu)和全彩顏料的物理圖片。

圖 2.全色顏料的可見光譜圖和每種顏色的顯色機(jī)制。(a) 0.15Fe的 K-M 轉(zhuǎn)變光譜和基于 O^2-到 Fe³⁺的電荷轉(zhuǎn)移矩陣映射。(b) 0.1V、Bi 的帶隙映射和基于帶隙著色的原理圖。(c-f) 0.1Cr、0.3Cu、0.1Co、0.2Mn 的 KM 過渡曲線以及相應(yīng)的 d-d 跳躍顏色表示機(jī)制。

圖3. 全彩顏料的特性。(a)全彩顏料的 L*a*b*。(b)全彩顏料的色度圖。(c)全彩顏料在酸、堿和水溶液中浸泡 2 小時后的色差。(d)全彩顏料和市售類似顏色顏料的近紅外太陽反射率。(e)在不同介質(zhì)中應(yīng)用的全彩顏料的物理表現(xiàn)。

4.涂層特性。(a)全彩和商業(yè)著色涂料的近紅外太陽反射光譜。(b)近紅外太陽反射率的具體值。(c)暴露于紅外光后泡罩盒中的最終溫度。(d)用紅外燈照射后涂層的表面溫度。

小結(jié)

綜上所述，該研究中使用的基底材料為KMgPO₄。該材料可同時實現(xiàn)d-d躍遷、離子間躍遷及帶間躍遷，通過固相法在均勻工藝條件下，可輕松合成從紅色到紫色的完整色譜范圍的顏料。首次發(fā)現(xiàn)的青色顏料KMg0.7Cu0.3PO4，以其高亮度和綠色色調(diào)為特征，類似于蒂芙尼藍(lán)。這些顏料色彩鮮艷，具有卓越的化學(xué)穩(wěn)定性，能在多種介質(zhì)中保持鮮艷色調(diào)，最重要的是，它們展現(xiàn)出優(yōu)異的近紅外太陽反射率，青色顏料除外。所有選定的樣品顏料在近紅外太陽反射率方面均優(yōu)于類似的商業(yè)顏料。在制備過程中，樣品顏料作為涂層時，其近紅外太陽反射率和熱屏蔽能力均優(yōu)于商業(yè)顏料涂層，因此可完全替代商業(yè)顏料，滿足建筑應(yīng)用中對美學(xué)色彩和節(jié)能的要求。