δ-CsPbI3和 CsPbBr3纳米结构与土壤浸提液的相互作用研究

为探究 CsPbX3（X=I/Br）纳米结构环境稳定性及潜在风险，研究人员合成不同温度样品，以苯酚为模型污染物，结合酸 / 碱性土壤浸提液，发现 130℃样品平衡稳定性与活性，酸性浸提液中 Pb 浸出更显著，CsPbI3稳定性优于 CsPbBr3，为环境风险评估提供依据。

　　

在清洁能源领域，钙钛矿材料如铯铅卤化物纳米结构（CsPbX₃，X=I 或 Br）因优异的光电性能（如高载流子迁移率、理想带隙），在太阳能电池、光探测器等领域备受关注。然而，其环境安全性却鲜少被系统研究。这类材料在自然环境中的降解行为、重金属铅（Pb²⁺）的潜在释放风险，以及在土壤等复杂介质中的稳定性，成为制约其大规模应用的关键瓶颈。尤其在电子废弃物管理不完善的地区，CsPbX₃纳米结构若未经妥善处理进入土壤，可能通过溶解或化学反应释放有毒组分，威胁生态系统和人类健康。因此，深入理解 CsPbX₃与土壤环境的相互作用机制，评估其环境风险，对推动该类材料的可持续应用至关重要。

来自国外研究机构的研究人员针对这一问题展开研究，相关成果发表在《Environmental Pollution》。他们通过系统实验，揭示了 CsPbI₃和 CsPbBr₃纳米结构在不同环境条件下的稳定性差异及铅释放规律，为钙钛矿材料的环境安全评估和绿色化应用提供了重要科学依据。

研究主要采用以下关键技术方法：

• 材料合成：通过溶剂热法在 100-180℃下合成 CsPbI₃和 CsPbBr₃纳米结构，筛选出 130℃下兼具稳定性与光催化活性的样品。
• 土壤浸提液制备：采集匈牙利酸性（Regosol）和碱性（Solonetz）土壤，制备模拟自然环境的酸 / 碱性浸提液。
• 多维度表征：利用 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线荧光光谱（XRF）、漫反射光谱（DRS）、红外光谱（IR）分析材料结构、形貌及化学变化；通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量检测铅浸出浓度。

3.1 合成效果与纳米结构表征

研究发现，不同温度合成的 CsPbBr₃和 CsPbI₃纳米结构颜色稳定（橙色和淡黄色），晶体结构不受温度显著影响，但形貌随温度变化：CsPbBr₃呈现立方和矩形颗粒，CsPbI₃在低温下为棒状结构，高温下形成混合尺寸棒状。光催化实验表明，130℃合成的样品在苯酚降解中表现出最佳稳定性与活性平衡，因此被选为后续土壤浸提液相互作用研究的对象。

3.2 土壤浸提液性质

酸性浸提液（pH 4.95）和碱性浸提液（pH 9.4）的理化性质差异显著：酸性环境因森林土壤中生物质分解产生，富含有机质；碱性环境则因高阳离子浓度形成。pH 值是影响 CsPbX₃稳定性的关键因素，酸性条件加速金属 - 卤化物键降解，而碱性条件虽抑制铅释放，但氢氧根离子仍可能破坏晶体结构。

3.3 相互作用后的结构与形貌变化

XRD 显示，CsPbBr₃在酸 / 碱性浸提液中均发生显著结构破坏，特征峰位移表明相转变或降解；CsPbI₃在酸性条件下仍保留部分尖锐峰，但晶型受损，碱性条件下结构破坏更严重。SEM 观察到，两种材料在浸提液中均呈现无定形、严重受损的形貌，且短时间（4 小时）与长时间（72 小时）作用后的形态差异不大，表明降解过程迅速发生。

3.4 光学性质变化

DRS 结果显示，CsPbBr₃在浸提液中颜色加深（黑色和棕褐色），带隙显著改变，表明化学结构严重破坏；CsPbI₃在酸性条件下带隙移至 2.35 eV，与 PbI₂（带隙 2.3-2.4 eV）一致，证实其降解为 PbI₂，而碱性条件下带隙接近原始 CsPbI₃，可能因部分再结晶。

3.5 表面化学性质变化

IR 光谱显示，浸提液中的有机配体（如腐殖酸）吸附在纳米结构表面，酸性条件下 CsPbBr₃的 C-O-C 和 O-H 振动强度更高，暗示更强的表面化学反应；CsPbI₃在碱性条件下随时间延长，表面官能团强度增加，可能与羟基化或再结晶过程相关。

3.6 铅浸出浓度分析

ICP-MS 数据表明，酸性浸提液中的铅浓度显著高于碱性条件：72 小时后，CsPbBr₃在酸性中铅浓度达 39.52 ppm，CsPbI₃为 15.44 ppm；碱性中则分别为 1.47 ppm 和 1.68 ppm。铅浓度随时间延长略有增加，但增幅有限，表明材料快速达到溶解平衡。此外，CsPbI₃的铅释放量显著低于 CsPbBr₃，证实其环境稳定性更优。

3.8 X 射线荧光分析

XRF 证实，酸性条件下 Cs 和 Pb 从 CsPbI₃中大量浸出（Cs 以 CsI 形式溶解，Pb 以 PbI₂残留），而碱性条件下材料发生部分再结晶或无定形化，铅保留在结构中。CsPbBr₃在两种条件下均形成水溶性 CsBr 和不溶性 PbBr₂，与铅浸出数据一致。

研究结论与讨论
本研究系统揭示了 CsPbX₃纳米结构在土壤环境中的降解机制与铅释放风险，证实酸性条件显著加速材料分解和重金属释放，而 CsPbI₃因更高的化学稳定性表现出更低的环境风险。研究结果强调，在钙钛矿材料商业化前，需通过化学修饰、表面包覆或复合材料设计等策略提升其环境耐久性，以避免大规模应用带来的生态危害。此外，研究为电子废弃物管理和土壤污染风险评估提供了关键数据，呼吁建立针对新型纳米材料的环境安全监管框架，确保技术进步与生态保护的平衡。