金属锑化物复合黄钾铁矾深色颜料的光热调控与储能潜力研究：从工业废料到功能材料的转化策略

本研究针对工业副产物黄钾铁矾(jarosite)的高值化利用问题，通过引入SnSb/AgSb/NiSb/FeSb等金属锑化物，开发出兼具近红外反射(NIR 54%)与电化学储能性能的深色杂化颜料体系。采用XRD/DLS/SEM等技术表征证实，物理共混的JBM 4体系展现出最佳光热管理特性，同时通过循环伏安法(CV)验证其作为电极材料的潜力，为工业固废资源化和建筑节能涂层提供了创新解决方案。

　　

在建筑节能和新能源材料领域，如何将工业废弃物转化为高性能功能材料始终是重大挑战。锌冶炼副产物黄钾铁矾(jarosite)传统处理方式成本高昂，而其独特的铁基结构和微纳尺寸却蕴含着巨大应用潜力。与此同时，全球对建筑表面"冷颜料"(cool colors)的需求激增——这类材料需在保持深色美观的同时反射近红外(NIR)辐射以降低建筑能耗。然而现有深色颜料普遍存在NIR反射率低(<10%)的缺陷，通常需要依赖TiO₂
底涂层才能实现热管理，这严重限制了其应用范围。

针对这一系列问题，来自印度的研究人员在《Sustainable Chemistry for Climate Action》发表创新研究，通过将黄钾铁矾与金属锑化物(M-Sb)复合，成功开发出兼具高NIR反射率和储能潜力的新型杂化颜料体系。研究团队采用机械球磨结合原位还原法，制备了JM(原位复合)、JSM(硅烷改性)和JBM(物理共混)三大类共12种颜料，通过系统表征发现JBM 4(FeSb复合)在750-1100nm波段实现54%反射率，远超传统深色颜料性能。更引人注目的是，经600°C热处理的硅烷改性样品在CV测试中展现出显著提升的面电容(areal capacitance)，首次揭示了黄钾铁矾在能源存储领域的应用前景。

关键技术方法包括：1) 球磨-筛分获得亚微米级黄钾铁矾颗粒；2) 通过APTMS硅烷偶联剂实现金属锑化物的表面修饰；3) 采用UV-Vis-NIR光谱仪测定太阳能总反射率(TSR)；4) 三电极体系循环伏安法评估电化学性能；5) 结合XRD/DLS/SEM/EDS进行多尺度结构表征。

【3.1 XRD和DLS分析】
XRD证实所有金属锑化物均形成金属-金属氧化物混合相，其中FeSb呈现立方晶系(2θ=45.8°对应Fe(111)晶面)，DLS显示粒径控制在280-690nm范围——该尺寸范围被证实是获得最佳NIR反射的关键因素。

【3.2 颜色坐标与NIR特性】
CIE色度分析表明，JBM 4在保持L*=70.08深色调的同时，NIR反射率达54%，其性能超越传统碳黑颜料(仅4-5%)。特别值得注意的是，这些颜料无需TiO₂
底涂层即可直接应用，突破了行业技术瓶颈。

【3.4 微观形貌特征】
SEM显示原始黄钾铁矾呈片状不规则形态，经硅烷改性后(JSM 2)颗粒呈现粘附特性，而物理共混的JBM 4则保持松散结构。EDS谱图确认所有样品中均存在特征元素信号，如FeSb体系的Sb峰值。

【3.5 光物理性能】
UV-Vis显示所有颜料在210-215nm处出现Sb特征吸收带。通过(αhν)²
-hν曲线计算得JBM 4带隙为2.67eV，表明其半导体特性。PL光谱在488nm处的发射峰证实了铁氧化物与锑的协同效应。

【3.7 电化学测试】
CV曲线显示600°C热处理的硅烷改性样品(JSM 3/4)面电容显著提升，这归因于热处理后材料导电性和比表面积的改善。该发现为黄钾铁矾在超级电容器等储能器件中的应用提供了实验依据。

这项研究的突破性在于首次构建了"废料-功能材料-能源器件"的全价值链转化路径：通过精确控制金属锑化物与黄钾铁矾的复合方式，不仅解决了深色颜料NIR反射率低的核心难题，更意外发现了其在电化学储能领域的潜力。研究提出的物理共混工艺(JBM系列)具有显著产业化优势，而硅烷改性策略则为材料多功能化提供了新思路。从环境角度看，该工作每年可为锌冶炼企业减少数万吨固废处理成本；从能源效益看，54%的NIR反射率可使建筑表面温度降低8-10°C，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。未来研究可进一步优化锑化物配比，并探索黄钾铁矾基电极材料的规模化制备工艺。