钴掺杂调控硫化锌颜料性能的机理研究：晶相转变与颜色优化的实验与理论探索

《Materials Advances》：Effects of Co2+ doping on the chroma, crystal form, and morphology of zinc sulfide pigment: An experimental and theoretical study

本文通过实验与密度泛函理论（DFT）相结合的方法，系统研究了Co2+掺杂对硫化锌（ZnS）颜料色度、晶相和形貌的调控作用。研究发现，低浓度Co2+掺杂（≤0.3%）可诱导晶格收缩、促进闪锌矿向纤锌矿相变（含量从74.4%提升至80.5%），并抑制颗粒生长形成均匀纳米粒子（80-130 nm），从而拓宽带隙（3.53→3.77 eV）、降低黄度（b值：1.18→0.79）提升白度；而过量掺杂（>0.3%）会引入绿色调（a值：-0.10→-4.72）。DFT计算进一步证实Co掺杂可降低相变能垒并增强Co-S键强度，为优化ZnS颜料性能提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究首次定量揭示了Co²⁺掺杂对ZnS微观结构的调控规律：随着Co²⁺浓度增加，ZnS平均粒径从52.3 nm显著减小至26.8 nm，且分布更均匀（原文结论部分）。

Conclusions

通过实验与理论相结合的分析，本研究明确了Co²⁺掺杂在调控ZnS颜料相组成、形貌及光学性能中的关键作用，主要结论如下：

1. 1.
   Co²⁺取代Zn²⁺位点可诱导晶格收缩，促进闪锌矿向纤锌矿相变（纤锌矿含量从74.4%增至80.5%），并抑制颗粒生长形成均匀纳米粒子（80-130 nm）；
2. 2.
   光学性能分析表明，低浓度Co掺杂（≤0.3%）可拓宽带隙（3.53→3.77 eV）、降低黄度（b值：1.18→0.79）提升白度，而过量掺杂（>0.3%）会因绿色调（a值：-0.10→-4.72）导致颜色偏移；
3. 3.
   DFT计算证实Co掺杂可降低相变能垒并增强Co-S键强度，从电子结构层面支撑了实验现象。本研究为通过离子掺杂精准优化ZnS颜料性能提供了理论指导。