镧掺杂铁酸铋高太阳反射率颜料的合成及其在城市热岛效应缓解中的应用

为应对城市热岛效应，研究人员通过固相反应法合成环境友好型镧掺杂铁酸铋(Bi1-xLaxFeO3)近红外高反射颜料。结果表明，x=0.4样品在2000-2500 nm波段反射率达70%，带隙增至2.21 eV，且热稳定性显著提升，为开发新型"冷颜料"(cool pigments)提供了可持续解决方案。

　　

随着城市化进程加速，建筑密集区吸收太阳辐射导致的"城市热岛效应"(Urban Heat Islands, UHIs)日益严重。传统无机颜料虽能反射部分太阳光，但多含毒性氧化物。如何开发兼具高近红外反射率(NIR, 700-2500 nm)和环境友好特性的新型颜料，成为材料科学领域的重要课题。

巴西科学团队在《Optical Materials》发表的研究中，创新性地采用固相反应法合成镧掺杂铁酸铋(Bi_1-xLa_xFeO₃)系列颜料。通过调控La含量(x=0-0.4)，系统研究了其对晶体结构、光学性能和热稳定性的影响。研究发现，该材料不仅能有效反射近红外辐射，其环境友好特性更符合可持续发展需求，为缓解城市热岛提供了新材料选择。

研究主要采用四大关键技术：X射线衍射(XRD)分析晶体结构、扫描电镜(SEM)观察形貌、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)测定光学性能、热重-差示扫描量热法(TG-DSC)评估热稳定性。所有样品在850°C下以10°C/min速率煅烧制得。

【结果与讨论】

1. 晶体结构演变
   XRD显示所有样品均形成菱形钙钛矿结构(R3c空间群)。随着La含量增加，寄生相Bi₂₅FeO₄₀峰逐渐消失，x=0.4时获得纯相BiFeO₃，证明La掺杂可提升相纯度。

2. 光学性能突破
   UV-Vis-NIR测试表明：

• 所有样品NIR反射率均高于可见光区
• x=0.4样品在2000-2500 nm反射率达70%，为最佳性能
• 带隙从2.10 eV(x=0)增至2.21 eV(x=0.4)，颜色由深棕变为红棕

1. 热稳定性增强
   TG-DSC显示La掺杂使BiFeO₃分解/熔融峰向高温方向移动，x=0.4样品热稳定性显著提高，拓宽了应用温度范围。

2. 形貌特征
   SEM显示所有样品呈不规则形状，平均粒径6.53 μm，存在团聚现象，但未观察到La含量对形貌的显著影响。

【结论】
该研究成功开发出新型环境友好型"冷颜料"，其核心优势体现在三方面：

1. 性能优势：x=0.4样品在关键红外波段(2000-2500 nm)实现70%反射率，远超常规建材
2. 结构优势：La掺杂不仅消除寄生相，还使带隙拓宽0.11 eV，实现颜色可控调节
3. 应用优势：增强的热稳定性(ΔT>50°C)使其适用于更严苛环境

这项由Deivis Marinoski等学者完成的工作，首次系统论证了镧掺杂铁酸铋作为新型冷却建材的可行性。其创新点在于将稀土掺杂策略与环境材料设计相结合，为解决城市热岛问题提供了兼具科学性和实用性的解决方案。研究结果对推动绿色建筑材料和可持续城市发展具有重要指导意义。