【摘要】 探索新型无机YFeO3颜料如何通过高近红外反射率(屏蔽太阳热量)和高红外发射率(大气窗口辐射散热)实现建筑被动降温。了解其晶体结构(正交相/六方相)调控、低温固相合成方法及其在节能涂料、缓解城市热岛效应中的应用潜力。

建筑节能的挑战与机遇

维持建筑内部舒适温度需要消耗巨大的能源。尤其在寒冷或炎热地区，空调系统的能耗已成为城市能源消耗的重要部分。太阳辐射是主要热源之一，其光谱能量分布中，​近红外光（NIR，0.8-2.5 μm）​占比高达52%，对室内升温影响显著。理想的建筑节能材料不仅能反射这部分热量（高近红外反射率），还需能将吸收的能量以红外辐射的形式（特别是通过大气窗口波段8-14 μm）高效散发出去，从而降低建筑表面温度，缓解城市热岛效应，实现被动降温和能源节约。具备这两种特性的材料被称为“冷颜料”或“节能颜料”。

 

稀土复合氧化物：高性能冷颜料的潜力股

无机颜料因其稳定性好、寿命长、无毒环保等特点，在建筑节能涂料领域备受关注。其中，​稀土复合氧化物因其独特的4f电子结构和过渡金属价态可调性，成为研发高近红外反射、高红外发射​（红外辐射率）颜料的热点。例如，LaFeO3基颜料、Fe2Ce2O7等已被证明具有良好的近红外反射性能。同时，稀土氧化物在工业窑炉中展现的高红外辐射特性也提示了其在建筑节能领域的应用潜力，但相关研究仍相对较少。

 

钇铁氧体(YFeO3)：一种前景广阔的双效颜料

YFeO3是一种重要的多铁性材料，其晶体结构主要有正交钙钛矿相（稳定）和六方相（亚稳）。理论研究预测其在近红外波段的光学性能优异，但不同晶相对其实际近红外反射与红外发射性能影响的实验研究尚不充分。

 

YFeO3的合成与结构调控

本研究采用一种简便、环保的“乙二醇辅助低温固相反应法”合成YFeO3颜料。关键创新在于通过精确控制煅烧温度​（700°C, 800°C, 900°C）来调控最终产物的晶体结构​（六方相或正交相）和微观形貌。

 

前驱体表征：形成机制与结构

图1展示了干燥前驱体的FTIR光谱及其宏观照片。红外分析（图1）揭示了前驱体的形成机制：

  • ​多孔结构：照片显示前驱体呈黄色、疏松多孔泡沫状（利于后续分解）。
  • ​键合信息：3400 cm⁻¹处的宽峰表明存在水和/或羟基（OH）；2340 cm⁻¹处可能的N-O-R特征峰；897、851、801 cm⁻¹处的峰（C-H键）；1624 cm⁻¹（羧基不对称伸缩振动）和1396 cm⁻¹（羧基对称振动）表明存在桥联配位模式的羧酸盐基团；606 cm⁻¹（Y-O键）、540 cm⁻¹和484 cm⁻¹（Fe-O伸缩振动）明确显示金属离子（Y³⁺, Fe³⁺）已参与网络结构形成。柠檬酸（CA）和乙二醇（EG）在此过程中充当络合剂和聚合物网络形成剂，有效分散金属离子并提高均匀性。

图1前驱体的红外光谱(插图显示多孔前驱体的照片)

 

晶体结构对颜料性能的关键影响

煅烧温度显著影响最终颜料的晶体结构、带隙、颜色和光学性能：

1.700°C煅烧：主要形成六方相YFeO3。

  • 带隙较小（~1.76 eV）。
  • 粉末颗粒尺寸较小。
  • 导致其近红外反射率相对较低。

2.​800°C和900°C煅烧：主要形成正交相YFeO3。

  • 带隙增大（>2.30 eV）。
  • 粉末颗粒尺寸较大。
  • 表现出优异的近红外反射性能​（图2a）。如图2b所示，其对占太阳辐射能量52%的近红外波段（NIR）具有高反射率，有效阻挡热量进入。
  • 对应涂层在大气窗口波段（8-14 μm）展现高红外发射率​（约93%），利于热量以辐射形式散失到外太空。
  • 铁离子含量随温度升高而增加，表明点缺陷浓度提高。
  • ​800°C煅烧样品表现出良好的热稳定性，其高近红外反射率与自由载流子吸收减弱有关。

图2 (a)在不同温度下煅烧的氧化铁粉末颜料的近红外反射系数和(b)太阳辐射能量分配

 

结论与展望：YFeO3在建筑节能领域的应用前景

本工作成功合成了晶体结构可控的环保型无机YFeO3颜料。研究表明：

  • 正交相YFeO3（尤其800°C煅烧）兼具高近红外反射率和高红外发射率​（大气窗口波段）。
  • 这种“双效协同”（近红外屏蔽 + 红外辐射冷却）特性使其成为极具潜力的建筑节能材料。
  • 颜料性能（颜色、反射率、发射率）可通过调控煅烧温度​（影响晶体结构、带隙、粒径、缺陷浓度）进行优化。

该研究为开发高性能、多色系、无毒环保的冷颜料提供了新思路，​YFeO3颜料在节能建筑涂料、被动冷却技术等领域具有广阔的应用前景，对降低建筑能耗、缓解城市热岛效应、推动可持续发展具有重要意义。

 

参考文献：1.Yueying Li, Yan Ma, Wenyuan liu, Zhoufu Wang, Hao Liu, Xitang Wang, Hengyong Wei, Shenghao Zeng, Nian Yi, Gary J. Cheng, A promising inorganic YFeO3 pigments with high near-infrared reflectance and infrared emission, Solar Energy, Volume 226, 2021, Pages 180-191, ISSN 0038-092X, https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.08.047.

 

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