I en ny studie använder forskare från Nagoya Institute of Technology, Japan en kombination av experimentella och teoretiska metoder för att förstå de optiska, elektroniska och magnetiska egenskaperna hos komplexa fasta ämnen av skiktade perovskitföreningar, vilket ger värdefulla insikter. Tillvägagångssättet kan utökas till ett brett utbud av funktionaliserade kristallina keramiska föreningar. Kredit:Ryohei Oka från Nagoya Institute of Technology, Japan
Stadsområden utan tillräckligt trädtäcke är betydligt varmare än omgivningen. Denna "urban heat island"-effekt beror huvudsakligen på en absorption av nära-infraröd (NIR) strålning i solljus. NIR-reflekterande pigment som kan mildra sådana värmeeffekter är därför mycket önskvärda.
I synnerhet funktionella oorganiska pigment är en attraktiv kandidat på denna front. Faktum är att Dr Ryohei Oka och hans kollega från Nagoya Institute of Technology, Japan, har visat att skiktade perovskitkeramiska föreningar av typ A2 BO4 är idealiska för att reflektera NIR. I hans tidigare studie upptäcktes det att nya perovskiter som titantillsatt kalciummanganoxid (Ca2 (Mn,Ti)O4 ) keramik är mycket bättre på att reflektera NIR-strålning än kommersiellt tillgängliga svarta pigment. Men den mekanism genom vilken Ca2 (Mn,Ti)O4 uppnår denna anmärkningsvärda bedrift är fortfarande okänd.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Inorganic Chemistry , Dr. Oka och hans kollega, Dr. Tomokatsu Hayakawa, analyserade strukturen och sammansättningen av Ca2 (Mn,Ti)O4 med hjälp av en kombination av standardteoretiska och experimentella tekniker för att undersöka de faktorer som bidrar till dess förbättrade NIR-reflektivitet. Denna artikel gjordes tillgänglig online den 19 april 2022 och publicerades i volym 61, nummer 17 av tidskriften den 2 maj 2022.
I sitt arbete använde duon röntgendiffraktion (XRD) och Ramanspektroskopi i kombination med en beräkningsmetod som kallas "density functional theory" (DFT) för att framgångsrikt extrahera saknade detaljer om kristallstrukturen och elektroniska tillstånd för Ca2 (Mn,Ti)O4 . "Få studier hittills har genomfört Raman-spektroskopi av Ca2 (Mn,Ti)O4 . Dessutom har de inte tillhandahållit några detaljer om dess vibrationslägen. Men information om dess elektroniska tillstånd och vibrationslägen är avgörande för att förstå hur dessa perovskiter visar sig vara så fantastiska NIR-reflektorer", säger Dr Oka och förklarar motivationen bakom deras tillvägagångssätt.
Duon analyserade kristallstrukturen för kalciummanganoxid (Ca2 MnO4 ) och spårade de strukturella förändringarna som inträffade med tillsatsen av Ti-föroreningar. Dessutom identifierade de hur de kemiska bindningarna i perovskiten modifieras vid införande av Ti-föroreningar. De fann det, jämfört med Ca2 MnO4 , Ca2 (Mn,Ti)O4 uppvisade en ytterligare Raman-topp som troligen berodde på aktiveringen av ett "tyst läge" orsakat av Ti-föroreningarna. Men XRD-mönstren för Ca2 MnO4 och Ca2 (Mn,Ti)O4 var identiska. Duon tillskrev detta till Ti-Ti-korrelation på ett visst avstånd.
En annan höjdpunkt i deras studie var den slående överensstämmelsen mellan beräkningsresultat från DFT och experimentella data. Energigap erhållna från de tre modellerna för Ca2 (Mn,Ti)O4 användes av duon i sina beräkningar som överensstämde med varandra samt experimentvärdet. Dessutom var resultatet oberoende av Ti-substitution eller dess position i kristallen. Dessutom avslöjade beräkningarna att den förbättrade NIR-reflektiviteten vid tillsats av Ti-joner berodde på en sänkning av "tillståndstätheten" (antalet elektroniska tillstånd per volymenhet per energienhet) nära Fermi-nivån (den högsta energinivån en elektron kan uppta) vid absolut nolltemperatur).
Dessa fynd tar oss ett steg närmare mot att avslöja den termiska skärmningsegenskapen hos perovskitkeramik. Den perfekta kombinationen av experimentella och teoretiska tillvägagångssätt som utvecklats i denna studie ger ett allmänt recept för att förstå strukturen och egenskaperna hos inte bara A2 BO4 typ keramik men en rad komplexa perovskitkeramik. Som Dr. Oka uttrycker det, "Denna kombinationsmetod är tillämpbar på ett brett utbud av funktionaliserad kristallin keramik för att förstå deras optiska, elektroniska och magnetiska egenskaper på ett mycket bättre sätt med mer tillförlitliga strukturella modeller erhållna beräkningsmässigt."
Faktum är att den detaljerade förståelsen av den förbättrade NIR-reflektionsmekanismen skulle vara extremt fördelaktig eftersom oorganiska pigment finner mer tillämpning som överlägsna termiska beläggningar för stadsbyggnader. + Utforska vidare
