Afkodning af strukturen og egenskaberne af nær-infrarøde reflekterende pigmenter

Byområder uden tilstrækkelig trædække er væsentligt varmere end deres omgivelser. Denne "byvarmeø"-effekt skyldes hovedsageligt en absorption af nær-infrarød (NIR) stråling i sollys. NIR-reflekterende pigmenter, der kan afbøde sådanne opvarmningseffekter, er derfor yderst ønskelige.

Især funktionelle uorganiske pigmenter er en attraktiv kandidat på denne front. Faktisk har Dr. Ryohei Oka og hans kollega fra Nagoya Institute of Technology, Japan, demonstreret, at lagdelte perovskit-keramiske forbindelser af typen A₂ BO₄ er ideelle til at reflektere NIR. I hans tidligere undersøgelse blev det opdaget, at nye perovskitter såsom titaniumtilsat calciummanganoxid (Ca₂ (Mn,Ti)O₄ ) keramik er meget bedre til at reflektere NIR-stråling end kommercielt tilgængelige sorte pigmenter. Men den mekanisme, hvorved Ca₂ (Mn,Ti)O₄ opnår denne bemærkelsesværdige bedrift forbliver ukendt.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Inorganic Chemistry , Dr. Oka og hans kollega, Dr. Tomokatsu Hayakawa, analyserede strukturen og sammensætningen af ​​Ca₂ (Mn,Ti)O₄ ved at bruge en kombination af standard teoretiske og eksperimentelle teknikker til at undersøge de faktorer, der bidrager til dets forbedrede NIR-reflektivitet. Dette papir blev gjort tilgængeligt online den 19. april 2022 og offentliggjort i bind 61, udgave 17 af tidsskriftet den 2. maj 2022.

I deres arbejde brugte duoen røntgendiffraktion (XRD) og Raman-spektroskopi i kombination med en beregningsmetode kaldet "density functional theory" (DFT) for med succes at udtrække manglende detaljer om krystalstrukturen og elektroniske tilstande af Ca₂ (Mn,Ti)O₄ . "Få studier indtil videre har udført Raman-spektroskopi af Ca₂ (Mn,Ti)O₄ . Desuden har de ikke givet nogen detaljer om dens vibrationstilstande. Imidlertid er information om dens elektroniske tilstande og vibrationstilstande afgørende for at forstå, hvordan disse perovskitter viser sig at være så gode NIR-reflektorer," siger Dr. Oka og forklarer motivationen bag deres tilgang.

Duoen analyserede krystalstrukturen af ​​calciummanganoxid (Ca₂ MnO₄ ) og sporede de strukturelle ændringer, der opstod ved tilsætning af Ti-urenheder. Desuden identificerede de, hvordan de kemiske bindinger i perovskitten modificeres ved indføring af Ti-urenheder. De fandt det sammenlignet med Ca₂ MnO₄ , Ca₂ (Mn,Ti)O₄ udviste en yderligere Raman-top, der sandsynligvis skyldtes aktiveringen af ​​en "støjsvag tilstand" forårsaget af Ti-urenhederne. XRD-mønstrene for Ca₂ MnO₄ og Ca₂ (Mn,Ti)O₄ var identiske. Duoen tilskrev dette Ti-Ti-korrelation på en vis afstand.

Et andet højdepunkt i deres undersøgelse var den slående overensstemmelse mellem beregningsresultater fra DFT og eksperimentelle data. Energigabet opnået fra de tre modeller for Ca₂ (Mn,Ti)O₄ brugt af duoen i deres indbyrdes aftalte beregninger samt forsøgsværdien. Desuden var resultatet uafhængigt af Ti-substitution eller dens position i krystallen. Derudover afslørede beregningerne, at den forbedrede NIR-reflektivitet ved tilføjelse af Ti-ioner skyldtes en sænkning af "tæthed af tilstande" (antallet af elektroniske tilstande pr. volumenenhed pr. energienhed) nær Fermi-niveauet (det højeste energiniveau, en elektron kan optage) ved absolut nultemperatur).

Disse resultater tager os et skridt tættere på at afsløre den termiske afskærmningsegenskab ved perovskit-keramik. Den perfekte kombination af eksperimentelle og teoretiske tilgange udviklet i denne undersøgelse giver en generel opskrift på at forstå strukturen og egenskaberne af ikke kun A₂ BO₄ type keramik, men en række komplekse perovskit-keramik. Som Dr. Oka udtrykker det, "Denne kombinationstilgang er anvendelig til en bred vifte af funktionaliserede krystallinske keramik for at forstå deres optiske, elektroniske og magnetiske egenskaber på en meget bedre måde med mere pålidelige strukturelle modeller opnået ved beregning."

Faktisk ville den detaljerede forståelse af den forbedrede NIR-reflektionsmekanisme være yderst fordelagtig, da uorganiske pigmenter finder mere anvendelse som overlegne termiske belægninger til bybygninger. + Udforsk yderligere

Undersøgelse af de afgørende ladningsbæreroverførselsprocesser og dynamik inden for perovskite aktive lag