南京工业大学首次发现KMgPO4可作为全彩近红外反光颜料

慧正资讯，日前南京工业大学团队在《国际陶瓷 Ceramics International》发表论文，首次发现青色颜料KMgCuPO₄其近红外太阳反射率和热屏蔽能力均优于商业颜料涂层，因此可完全替代商业颜料，满足建筑应用中对美学色彩和节能的要求。

研究背景

城市化导致大都市中心与其周围环境之间的温差不断扩大，使城市热岛效应变得更糟。因此，该市制冷设备的能源使用量也显著增加，预计到 2050 年，这一需求将增加两倍。通过使用智能窗膜、具有高近红外反射率的建筑涂料、种植更多的绿色植被以及设计具有独特外观的建筑物，可以减少城市热岛效应。在有效性、可靠性和可行性方面，具有高近红外反射率的“冷颜料”是其中脱颖而出，成为城市热岛效应的潜在补救措施。白色颜料缺乏美观性且易受污渍影响，而当代颜料研究的主要领域之一是开发具有高近红外反射率的彩色颜料。因此，近红外反射型彩色颜料正日益受到关注，其有望为缓解城市热岛效应提供新的解决方案。

成果简介

在这项研究中，研究人员合成了以KMgPO4为基体的无机颜料，并制备了一系列全色系（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）无机颜料，其通式为K_1-yBi_yMg1-xM_xP_1-zVzO₄(M = Fe₂Cr₂Cu₂Co₂Mn)。并详细研究了颜料的光学特性，以开发节能环保的高近红外反射颜料，并制备了基于最佳颜料的涂层，可用于汽车和建筑。

全色颜料的XRD和XPS谱图证实了基体中存在 K、Mg 和 P 元素，并表明存在其他掺杂元素。异相相的形成、部分相变的出现均对相结构没有任何影响，这些在放大的 XRD图谱中可以清楚地识别出来。当掺杂离子渗入KMgPO4晶格时，它们作为发色团，产生鲜艳的颜色。

化学稳定性测试结果表明，红色、黄色、绿色、青色和蓝色颜料的色差值均低于5，符合允许的范围。绿色、青色和紫色颜料在高温下与玻璃熔体结合后，保留了其原有的鲜艳色调，表现出优异的高温应用性能。颜料的近红外太阳反射光谱图显示除青色颜料外，其余颜料的 R* 值超过 50%，黄色颜料在 0.1V，Bi 时达到最大值 93.4%。每种颜色合成的颜料的所有 R* 值都超过了商业颜料的 R* 值，这表明所制备的颜料（不包括青色）具有作为冷涂料的潜力。

与商业颜料涂料相比，样品颜料的涂层表面表现出优异的热屏蔽能力。0.1 V Bi 黄色颜料涂层具有卓越的热反射性能，最终表面温度仅为 63.3°C。该温度比铁黄颜料涂层低 6.6°C，比热反射性能最差的铁蓝涂层低 11.8°C。表明由样品颜料制成的涂料表现出卓越的热反射性和鲜艳的色彩，使其能够完全替代商业颜料。用于外墙时，这些颜料涂料既具有装饰性，又能够大大降低夏季空调的能耗。

图文导读

图1. KMgPO4的结构以及发色团离子掺杂对其结构的影响。(a)全彩颜料的XRD图谱。(b)全彩颜料在 27-30° 下放大的 XRD 图谱。(c)颜料样品的拉曼图。(d)0.15Fe、0.1V、Bi共掺杂、0.1Cr、0.3Cu、0.1Co和0.2Mn测试样品对应的不同掺杂离子的XPS精细光谱。(e) KMgPO₄的晶体结构和全彩颜料的物理图片。

图 2.全色颜料的可见光谱图和每种颜色的显色机制。(a) 0.15Fe的 K-M 转变光谱和基于 O^2-到 Fe³⁺的电荷转移矩阵映射。(b) 0.1V、Bi 的带隙映射和基于带隙着色的原理图。(c-f) 0.1Cr、0.3Cu、0.1Co、0.2Mn 的 KM 过渡曲线以及相应的 d-d 跳跃颜色表示机制。

图3. 全彩颜料的特性。(a)全彩颜料的 L*a*b*。(b)全彩颜料的色度图。(c)全彩颜料在酸、碱和水溶液中浸泡 2 小时后的色差。(d)全彩颜料和市售类似颜色颜料的近红外太阳反射率。(e)在不同介质中应用的全彩颜料的物理表现。

4.涂层特性。(a)全彩和商业着色涂料的近红外太阳反射光谱。(b)近红外太阳反射率的具体值。(c)暴露于红外光后泡罩盒中的最终温度。(d)用红外灯照射后涂层的表面温度。

小结

综上所述，该研究中使用的基底材料为KMgPO₄。该材料可同时实现d-d跃迁、离子间跃迁及带间跃迁，通过固相法在均匀工艺条件下，可轻松合成从红色到紫色的完整色谱范围的颜料。首次发现的青色颜料KMg0.7Cu0.3PO4，以其高亮度和绿色色调为特征，类似于蒂芙尼蓝。这些颜料色彩鲜艳，具有卓越的化学稳定性，能在多种介质中保持鲜艳色调，最重要的是，它们展现出优异的近红外太阳反射率，青色颜料除外。所有选定的样品颜料在近红外太阳反射率方面均优于类似的商业颜料。在制备过程中，样品颜料作为涂层时，其近红外太阳反射率和热屏蔽能力均优于商业颜料涂层，因此可完全替代商业颜料，满足建筑应用中对美学色彩和节能的要求。