鈣鈦礦大家族

發(fā)布時間： 2023-07-11　　點擊次數(shù)： 568次

如果你去關(guān)注一下近幾年材料科學(xué)的研究進(jìn)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(jī)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?xì)浠衔锏扔卸練怏w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?xì)浠衔?，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(jì)70年代末，人們就研制出了有機(jī)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(jī)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(dāng)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(jī)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(xué)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(jī)的元件

如果使有機(jī)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(jī)。

光量子計算機(jī)的量子比特就是用光子的某些量子狀態(tài)來表示的。當(dāng)前，光量子計算機(jī)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(jī)鈣鈦礦

2018年，中國東南大學(xué)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(jī)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(jī)鈣鈦礦。

東南大學(xué)的研究人員想用全有機(jī)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(jī)部件等領(lǐng)域中。

鈣鈦礦電池

中國和加拿大的科學(xué)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(jī)材料形成共價鍵，從而減少缺陷并大大減少降解機(jī)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(dāng)暴露在高濕度，高溫，強(qiáng)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(yán)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(xiàn)。

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(yuǎn)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(xué)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(jī)物或不溶性鉛鹽，可以有效地阻斷水進(jìn)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(qiáng)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(fù)載材料應(yīng)充足，以確保足夠的鉛吸附能力。