钴掺杂氧化锌纳米结构的绿色颜料性能调控及其近红外反射特性研究

研究人员通过化学沉淀-热分解法合成系列Co掺杂ZnO绿色颜料，系统表征发现1%Co-ZnO具有优异绿色色调（a*=-21.94）和86.10%近红外反射率，其稳定的晶体结构和化学性能为建筑节能涂料开发提供新方案。

　　

在城市化进程加速的今天，建筑外立面的色彩美学与节能需求矛盾日益凸显。传统有机颜料易褪色且不耐高温，而无机颜料中性能优异的钴蓝（CoAl₂O₄）虽色彩鲜艳但成本高昂。更棘手的是，全球约40%建筑能耗源于太阳辐射热吸收，开发兼具色彩表现力和近红外反射功能的绿色颜料成为材料科学领域的重要课题。

印度金奈的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds Communications》发表创新成果，通过化学沉淀-热分解法成功制备出系列Co掺杂ZnO绿色颜料。这项研究突破性地发现，仅需1%钴掺杂即可使ZnO呈现鲜明绿色（CIE a*=-21.94），同时保持86.10%的近红外反射率，其性能甚至优于部分商业钴基颜料。更令人振奋的是，该颜料在高温和化学腐蚀环境下展现卓越稳定性，为建筑节能涂料提供了性价比更高的解决方案。

研究采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、场发射扫描电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术手段，系统分析了不同Co掺杂浓度（1%-25%）对ZnO性能的影响。通过国际照明委员会（CIE）Lab*色度系统量化颜色特征，并结合近红外反射率测试评估节能潜力。

【Crystalline structure analysis by X-ray diffraction pattern】
XRD分析显示，1%-10%Co掺杂样品保持ZnO的六方纤锌矿结构（wurtzite），而25%掺杂时出现CoO杂相。Rietveld精修证实Co²⁺成功取代Zn²⁺位点，晶格参数随掺杂量增加呈线性变化，1%Co-ZnO晶粒尺寸最小（28nm），这解释了其优异的颜色饱和度。

【Optical properties analysis】
UV-Vis显示Co掺杂使ZnO带隙从3.37eV降至3.12eV，在520nm处产生特征吸收峰，对应Co²⁺的⁴A₂(F)→⁴T₁(P)跃迁。这种选择性吸收是绿色显色的关键，而近红外区的高反射源于掺杂后载流子浓度优化形成的等离子体共振效应。

【Morphological and elemental analysis】
FESEM显示所有样品均为纳米颗粒聚集体，1%Co-ZnO具有最均匀的粒径分布（30-50nm）。XPS证实Co以+2价态存在，且表面氧空位浓度与掺杂量呈正相关，这增强了颜料的化学稳定性。

【Colorimetric and NIR reflective properties】
色度测试表明1%Co-ZnO的色饱和度（C*=23.4）和色调角（h°=158.7°）最接近理想绿色，其86.10%的近红外反射率远超未掺杂样品（72.35%）。将颜料掺入石膏测试，证实其在实际应用中的色彩保持性和降温效果。

该研究通过精准控制Co掺杂浓度，首次实现了ZnO基颜料从制备工艺到性能表现的突破。相较于传统钴蓝颜料，1%Co-ZnO的钴用量减少90%以上，且合成温度降低200°C，这对降低建筑节能改造成本具有重要意义。作者Kruba Karthiyayani Chandran等特别指出，该颜料的红外反射特性可有效缓解城市热岛效应，单栋建筑年降温能耗预计降低15%-20%。未来研究将聚焦于工业化放大生产和涂层耐久性优化，推动这种绿色功能颜料走向实际应用。