鈣鈦礦大家族

發(fā)布時間： 2023-07-11　　點擊次數(shù)： 1502次

如果你去關(guān)注一下近幾年材料科學的研究進展，你就會發(fā)現(xiàn)一種趨勢：有大量的研究人員把研究熱情投入到了鈣鈦礦身上。鈣鈦礦可以制成太陽能電池，還可以制成發(fā)光二極管、催化劑，甚至可以制成未來量子計算機的元件。那么，什么是鈣鈦礦呢？下面，我們就解釋一下和列舉一些鈣鈦礦主要的應(yīng)用前景。

鈣鈦礦是個大家族

從某種程度上來說，鈣鈦礦之所以在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是因為它是一個大家族。鈣鈦礦是具有ABX3結(jié)構(gòu)的晶體材料的總稱，其中A是較大的陽離子，B是較小的陽離子，X是陰離子，每個A離子被B和X離子一起構(gòu)成的八面體所包圍。之前所發(fā)現(xiàn)的第一種鈣鈦礦，是天然礦物鈦酸鈣（CaTiO₃）。研究人員把所有具有ABX₃結(jié)構(gòu)的晶體材料都稱為鈣鈦礦。比如BiFeO₃、CsPbI₃等。元素周期表中90%的金屬元素都可以成為鈣鈦礦的A或B離子。研究人員就制造出了大量的有著相同結(jié)構(gòu)但元素組成不同的晶體。

制成催化劑

把鈣鈦礦氧化物制成催化劑，就是在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中加入少量具有高度催化活性的金屬。例如，可以用釕代替鈣鈦礦氧化物中約5%的B陽離子，測試顯示，與其他釕化合物催化劑相比，這樣的鈣鈦礦氧化物可以在只使用少量釕金屬的情況下，提供同等催化效果。研究人員制成各種高效的催化劑，一些可以把汽車尾氣中一氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物等有毒氣體迅速氧化，來起到過濾作用；一些可將二氧化碳還原為有用的碳氫化合物，并減少這種溫室氣體的排放；還有一些催化劑可以在電解水的反應(yīng)中發(fā)揮催化作用。

可把光電互為轉(zhuǎn)換

20世紀70年代末，人們就研制出了有機鹵化鉛鈣鈦礦，其中甲基銨（CH₃NH₃⁺）或甲脒氫（CH(NH₂)₂⁺）離子形成了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的A陽離子，鉛為B陽離子，氯、溴或碘陰離子則為X陰離子。在最近20幾年，研究人員就發(fā)現(xiàn)有機鹵化鉛鈣鈦礦具有光伏特性，可以把光能轉(zhuǎn)換為電能。這種鈣鈦礦制造成本低，光電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢（當前其轉(zhuǎn)換效率已提高到約21%）。鈣鈦礦太陽能電池已成為近幾年熱門的研究課題。

此外，有機鹵化鉛鈣鈦礦還可以把電能轉(zhuǎn)換為光能，也可以用來制成照明或顯示器中所使用的發(fā)光二極管，甚至可以制成激光器。

前面提到鈣鈦礦可以把光能轉(zhuǎn)換為電能，即鈣鈦礦可以吸收可見光，科學家還發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦不僅能吸收可見光，一些鈣鈦礦也能吸收伽馬射線。

成為量子計算機的元件

如果使有機鹵化鉛鈣鈦礦足夠小，小到成為了納米晶體的話，那么它就可成為一種每次發(fā)射出單個光子的發(fā)射器。這種鈣鈦礦納米晶體可以在量子通信中得到很大的應(yīng)用。而鈣鈦礦制成的單光子發(fā)射器，可以為量子通信提供所使用的光子。如果研究人員能找到利用多個鈣鈦礦納米晶體產(chǎn)生大量處于糾纏狀態(tài)的光子對的辦法，那么鈣鈦礦納米晶體另一個應(yīng)用則是光量子計算機。

光量子計算機的量子比特就是用光子的某些量子狀態(tài)來表示的。當前，光量子計算機的研究挑戰(zhàn)是找到能夠快速產(chǎn)生大量糾纏光子的材料。到目前為止研制的器件產(chǎn)生糾纏光子的速度都非常慢，但鈣鈦礦納米晶體可能會改變這種情況。

全有機鈣鈦礦

2018年，中國東南大學的研究人員創(chuàng)造了總共23種不含金屬的鈣鈦礦，其中鈣鈦礦中A和B離子全都是有機陽離子組成的，而陰離子則是氯、溴或碘陰離子，這就是全有機鈣鈦礦。

東南大學的研究人員想用全有機鈣鈦礦制造一種更好的壓電材料。壓電材料是一種可在壓力作用下產(chǎn)生電能的材料，它們廣泛應(yīng)用于聲納和超聲波成像、車輛安全氣囊傳感器和計算機部件等領(lǐng)域中。

鈣鈦礦電池

中國和加拿大的科學家共同研究了一種添加劑，可以與鈣鈦礦光伏組件中的有機材料形成共價鍵，從而減少缺陷并大大減少降解機制的影響。

的確，鈣鈦礦領(lǐng)域真正的挑戰(zhàn)是器件穩(wěn)定性。所有鈣鈦礦材料都存在不同程度的分解現(xiàn)象，尤其是當暴露在高濕度，高溫，強光，富氧等情況下時，鈣鈦礦的分解過程會被加速。特別是高濕度情況下，鈣鈦礦衰敗尤為嚴重。這項研究橫空出世，為鈣鈦礦電池性能的提升提供了新穎有效的策略，為實現(xiàn)高效和超穩(wěn)定的鈣鈦礦電池做出貢獻。

鹵化鉛鈣鈦礦

鹵化鉛鈣鈦礦是一種很有前途的太陽能收集半導(dǎo)體材料。圍繞鈣鈦礦毒性問題的一個基本問題是，是否有可能在不含鉛的情況下實現(xiàn)鈣鈦礦的優(yōu)異光電性能。但無鉛鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性仍遠低于鹵化鉛鈣鈦礦光伏電池。研究很多的材料是錫（Sn）基鈣鈦礦。目前，就鈣鈦礦晶體的光電性能以及熱力學和環(huán)境穩(wěn)定性而言，鉛是最有前途的元素。

鹵化鉛鈣鈦礦可以晶粒封裝通過將鈣鈦礦顆粒包裹在疏水性有機物或不溶性鉛鹽，可以有效地阻斷水進入和離子流出的通道。鉛絡(luò)合通過合理的添加劑工程形成鉛-添加劑復(fù)合物的低溶解度產(chǎn)物（K_sp）來降低降解鈣鈦礦中鉛化合物的溶解度。結(jié)構(gòu)集成通過提高組成元素的結(jié)合強度、集成體連接性和界面內(nèi)聚力，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在器件內(nèi)的集成能夠增加水滲透、結(jié)構(gòu)碎裂和分層的能壘，從而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止水溶解和鉛泄漏。泄漏鉛的吸附由于鉛固存效率（SQE）與吸附位點的密度直接相關(guān)，負載材料應(yīng)充足，以確保足夠的鉛吸附能力。