鈣鈦礦大家族

發布時間： 2022-07-11　　點擊次數： 585次

如果你(ni)去關注一(yi)(yi)下近幾年(nian)材(cai)料科學的(de)研(yan)究(jiu)進展(zhan)，你(ni)就會發(fa)現(xian)一(yi)(yi)種趨勢：有大量(liang)(liang)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員把研(yan)究(jiu)熱情(qing)投入到(dao)了鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦身上。鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦可(ke)以制(zhi)成(cheng)(cheng)太陽能電池(chi)，還可(ke)以制(zhi)成(cheng)(cheng)發(fa)光二極管(guan)、催化劑，甚至(zhi)可(ke)以制(zhi)成(cheng)(cheng)未來(lai)量(liang)(liang)子計(ji)算機的(de)元件。那么(me)，什么(me)是鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦呢？下面，我們就解釋一(yi)(yi)下和列舉一(yi)(yi)些鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦主要的(de)應用前景(jing)。

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域有著廣泛的應用前景，是因為它是一個大家族。鈣鈦礦是具有ABX3結構的晶體材料的總稱，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離子一起構成的八面體所包圍。之前所發現的第一種鈣鈦礦，是天然礦物鈦酸鈣（CaTiO₃）。研究人員把所有具有ABX₃結構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構但元素組成不同的晶體。

制成(cheng)催化劑(ji)

把鈣鈦礦氧化物制成催化劑，就是在鈣鈦礦結構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中發揮催化作用。

可把光電(dian)互為轉換

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構中的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，研究人員就發現有機鹵化鉛鈣鈦礦具有光伏特性，可以把光能轉換為電能。這種鈣鈦礦制造成本低，光電轉化效率高等優勢（當前其轉換效率已提高到約21%）。鈣鈦礦太陽能電池已成為近幾年熱門的研究課題。

此(ci)外(wai)，有機鹵(lu)化鉛鈣鈦礦還可以(yi)把電(dian)能(neng)轉換為光(guang)能(neng)，也可以(yi)用來制成照明或顯示器中所使用的發光(guang)二極管(guan)，甚至可以(yi)制成激光(guang)器。

前面提到鈣(gai)鈦(tai)礦可以(yi)把光能轉換為電能，即鈣(gai)鈦(tai)礦可以(yi)吸(xi)(xi)收可見光，科學家還(huan)發(fa)現，鈣(gai)鈦(tai)礦不僅能吸(xi)(xi)收可見光，一些鈣(gai)鈦(tai)礦也能吸(xi)(xi)收伽馬(ma)射線。

成為量子計算(suan)機的元件

如(ru)果(guo)使(shi)有機鹵化(hua)鉛(qian)鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)足夠小，小到(dao)成(cheng)為(wei)了納(na)(na)米晶(jing)(jing)體(ti)(ti)的(de)(de)話，那(nei)(nei)么(me)它(ta)就可(ke)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)每(mei)次發射(she)(she)出(chu)單個光(guang)子的(de)(de)發射(she)(she)器(qi)。這種(zhong)鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)納(na)(na)米晶(jing)(jing)體(ti)(ti)可(ke)以(yi)在(zai)量子通(tong)(tong)信中得到(dao)很大的(de)(de)應(ying)用(yong)。而鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)制(zhi)成(cheng)的(de)(de)單光(guang)子發射(she)(she)器(qi)，可(ke)以(yi)為(wei)量子通(tong)(tong)信提(ti)供所使(shi)用(yong)的(de)(de)光(guang)子。如(ru)果(guo)研究人員(yuan)能找(zhao)到(dao)利用(yong)多(duo)個鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)納(na)(na)米晶(jing)(jing)體(ti)(ti)產生大量處于糾纏狀態的(de)(de)光(guang)子對的(de)(de)辦法，那(nei)(nei)么(me)鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)納(na)(na)米晶(jing)(jing)體(ti)(ti)另一(yi)個應(ying)用(yong)則(ze)是光(guang)量子計算機。

光量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)機(ji)的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)比特就是用光子(zi)(zi)的(de)(de)某些量(liang)子(zi)(zi)狀態來表示(shi)的(de)(de)。當前(qian)，光量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)機(ji)的(de)(de)研究挑戰(zhan)是找(zhao)到(dao)能夠快速(su)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)糾纏(chan)光子(zi)(zi)的(de)(de)材料。到(dao)目前(qian)為止研制的(de)(de)器件產(chan)生(sheng)糾纏(chan)光子(zi)(zi)的(de)(de)速(su)度都非常慢，但鈣鈦礦納米晶體可能會改(gai)變這種(zhong)情況。

全有機鈣鈦礦

2018年，中國東南大學的研究人員創造了總共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(nan)大(da)學的(de)研究人員(yuan)想用全(quan)有機鈣(gai)鈦礦制造一種(zhong)更好的(de)壓電(dian)材料(liao)。壓電(dian)材料(liao)是一種(zhong)可在(zai)壓力作用下(xia)產(chan)生電(dian)能的(de)材料(liao)，它們(men)廣泛應用于聲納和(he)超(chao)聲波成像、車輛安全(quan)氣囊(nang)傳感器和(he)計(ji)算機部件(jian)等(deng)領域中(zhong)。

鈣鈦(tai)礦(kuang)電池

中(zhong)國和加拿(na)大的(de)科學家(jia)共同(tong)研究了一種添加劑，可以與鈣鈦礦光(guang)伏組(zu)件中(zhong)的(de)有機(ji)材(cai)料形成(cheng)共價鍵，從而(er)減(jian)少缺陷并大大減(jian)少降解(jie)機(ji)制的(de)影(ying)響。

的確，鈣鈦礦領域真正的挑戰是器件穩(wen)定性。所有鈣鈦礦材料都存在不同程度的分解現象，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(heng)空出(chu)世(shi)，為鈣鈦礦電池性能的(de)提升提供了新穎有效的(de)策略(lve)，為實現高效和超穩定的(de)鈣鈦礦電池做(zuo)出(chu)貢獻。

鹵(lu)化鉛鈣(gai)鈦礦

鹵化鉛鈣鈦礦是一種很有前途的太陽能收集半導體材料。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鈣鈦礦的優異光電性能。但無鉛鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率和穩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境穩定性而言，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。鉛絡合通過合理的添加劑工程形成鉛-添加劑復合物的低溶解度產物（K_sp）來降低降解鈣鈦礦中鉛化合物的溶解度。結構集成通過提高組成元素的結合強度、集成體連接性和界面內聚力，鈣鈦礦結構在器件內的集成能夠增加水滲透、結構碎裂和分層的能壘，從而提高結構穩定性，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，負載材料應充足，以確保足夠的鉛吸附能力。