科学网—内蒙古工业大学/内蒙古科学技术研究院：基于锌掺杂调控的SrZrO 3晶体结构与光学优化—赋能高效日间辐射冷却-清华大学出版社学术期刊的博文
精选
已有 4585 次阅读
2025-8-19 09:42
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Li Y, Yin Y, Bai Y, et al. Engineering the optical properties of SrZrO 3 crystals via Zn doping for superior passive daytime radiative cooling. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(7): 9221107. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221107
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221107
ResearchGate ： Engineering the optical properties of SrZrO3 crystals via Zn doping for superior passive daytime radiative cooling
1 、 导读
本研究采用溶胶 - 凝胶结合固相法制备 Zn 掺杂 SrZrO 3 晶体，通过实验与理论计算系统研究 Zn 掺杂对 SrZrO 3 引起的光学效应。结果表明： Zn 掺杂通过改变晶粒形貌与电子结构，协同提升 0.3-2.5 μm 波段反射率；同时诱导晶格畸变，增强 8-13 μm 波段发射率。其中，优化组分 SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 的太阳光谱反射率达 0.892 ，大气透明窗口发射率达 0.954 。其涂层在 654 W·m -2 辐照下实现 15.3 ℃ 最大制冷温差及 64.7 W·m -2 净辐射冷却功率，证明其具有优异的被动日间辐射冷却性能。
图 1 文章图片
随着全球人口增长、经济发展以及工业化进程的加速，全球能源消耗持续攀升。对化石燃料的高度依赖正在加剧全球变暖。化石燃料燃烧释放出大量温室气体，如二氧化碳、甲烷和氧化亚氮，严重破坏气候系统平衡，引发气温显著升高、极端天气频发、海平面上升以及城市热岛效应等严重后果。不断攀升的气温（和城市热岛效应）直接加剧了对制冷降温的需求。传统制冷系统作为满足该需求的主要方式之一，在众多能源消耗领域中消耗了全球约 10% 的电力。更值得关注的是，这些系统中的制冷剂泄漏具有极高的全球变暖潜势（ GWP ），进一步加剧了气候危机。
界面工程作为调控材料表面特性的重要手段，在提升热调控性能方面具有显著优势。其中，被动日间辐射冷却技术因无需外部能源驱动，成为替代传统高能耗制冷方式的有效选择。该技术通过反射大部分太阳辐射以降低物体和建筑吸热，同时利用大气透明窗口（ 8–13 μm 波段）向外释放长波红外辐射，从而实现高效散热。被动日间辐射冷却技术已广泛应用于建筑围护结构、光伏组件、汽车散热、食品保鲜及电子器件冷却等领域，为降低能源消耗、缓解全球变暖提供了切实可行的绿色解决方案。
3 、文章亮点
（ 1 ） 光学 - 形貌协同调控，显著提升太阳光反射率：通过 Zn 2+ 部分取代 SrZrO 3 中的 Zr 4+ ，有效提高材料在 0.3–2.5 μm 波段的折射率，并诱导晶体粉末由颗粒状转为片状结构，显著增强了太阳光反射能力。最优组分 SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 在太阳光谱范围内的反射率可达 0.892 ，优于未掺杂样品，为高效反射型辐射冷却材料提供了基于光学 - 形貌协同调控的新设计思路。
（ 2 ） 晶格无序调控增强大气窗口红外发射： Zn 掺杂引起晶格畸变与对称性降低，调控了晶体的声子振动模式，有效提升了 SrZrO 3 在 8–13 μm 大气窗口波段的红外发射能力。该最优组分 SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 在此波段的发射率高达 0.954 ，为实现高效被动辐射冷却提供了关键的热辐射性能保障。
4 、研究结果及结论
所有 Zn 改性 SrZrO 3 晶体均保持正交相钙钛矿结构，且由于 Zn 2+ 和 Zr 4+ 的离子半径差异，掺杂引起了晶格膨胀，掺杂量越大，晶格膨胀程度越大。由于 Zn 2+ 和 Zr 4+ 存在价态差异，掺杂在 SrZrO 3 晶格中引入了氧空位，且掺杂量越多，氧空位浓度越高。氧空位的引入破坏了晶格氧八面体的长程有序性。
图 2 (a)XRD 图谱， (b)30.2°-31°XRD 图谱， (c)EPR 图谱， (d)Raman 图谱， (e)500-600 cm -1 Raman 图谱
未掺杂的 SrZrO 3 晶体其晶粒形貌呈不规则颗粒状，晶粒间无明显团聚。而随着 Zn 掺杂量的增加，晶粒形貌逐渐由不规则颗粒状演变为棒状，并进一步发展为片状，同时颗粒尺寸随掺杂量逐渐增大。
图 3 Zn 掺杂 SrZrO 3 粉末 SEM 图及粉末尺寸统计分布图
掺杂 Zn 离子后，晶体的能带结构仍为直接带隙，带隙值随掺杂量增加线性减小。然而，所有样品的带隙值均大于 5.5 eV ，其对应的吸收边波长越为 226 nm 。
图 4 SrZrO 3 及 Zn 改性 SrZrO 3 晶体带隙
随着 Zn 掺杂量的增加，晶体的反射率曲线整体呈升高趋势，表明 Zn 掺杂有效提升了 SrZrO 3 晶体的太阳光反射率。同时，晶体在 8-13 μm 波段的发射率也随掺杂量增大，说明 Zn 掺杂成功增强了其红外辐射性能。
图 5 SrZrO 3 及 Zn 改性 SrZrO 3 晶体 (a) 在 0.3-2.5 μm 波段的反射率和 (b) 在 8-13 μm 波段的发射率
Zn 改性提升 SrZrO 3 晶体在 0.3-2.5 μm 波段反射率，其机制主要在于掺杂引起的带隙减小导致了晶格折射率增大。但是， Zn 掺杂对晶体在此波段的消光系数没有显著提升作用。
图 6 Zn 离子掺杂 SrZrO 3 晶体在 0.3-2.5 μm 波段的折射率（ n ）和消光系数（ k ）
掺杂 Zn 后，晶粒与相邻晶粒相互粘结，形成棒状和片状晶粒。这两种形貌均有助于减少晶界数量和光散射界面，缩短光在材料内部的传播路径（光程），降低吸收损失，并增强整体的光反射能力，从而提升材料在 0.3–2.5 μm 波段的光谱反射率。
图 7 材料微观颗粒形状对光反射的影响
基于 Zn 改性 SrZrO 3 晶体的辐射冷却涂层，较基于未改性 SrZrO 3 晶体的涂层，具有更优异的被动日间辐射冷却性能。
图 8 (a)SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 涂层的被动日间辐射制冷性能曲线； (b) 裸铝板所覆盖区域温度与测试盒内温度温差曲线，以及 SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 涂层样品所覆盖区域温度与测试盒内温度温差曲线；被动式日间辐射制冷性能测试期间空气的 (c) 大气环境温度和 (d) 瞬时风速
耐候性实验结果显示，基于 SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 晶体的涂层在长期户外环境暴露后，其疏水性能出现降低。
图 9 （ a-j ） SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 涂层在 21 天户外曝光实验中的实时照片。（ k-l ） SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 涂层在室外暴露前后的水接触角。
经过 21 天户外老化后， SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 涂层的被动日间辐射冷却性能未发生显著衰减。
图 10 (a) 未经暴露和经过户外暴露的 SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 涂层的被动日间辐射冷却性能曲线； (b) 未经暴露和经过户外暴露的 SrZr 0.75 Zn 0.25 O 2.75 涂层的所覆盖区间与环境之间的温差曲线；被动式日间辐射制冷性能测试期间空气的大气环境温度 (c) 和瞬时风速 (d)
5 、作者及研究团队简介
马文（通讯作者） ，教授，博士生导师， 2006 年毕业于北京航空航天大学材料学专业，获工学博士学位。 2006-2007 年于德国于利希研究中心从事博士后研究工作。现任内蒙古自治区新材料与表面工程重点实验室主任。获得教育部新世纪优秀人才、草原英才、内蒙古自治区突出贡献专家、内蒙古自治区高校优秀青年科技领军人才、内蒙古自治区优秀科技工作者等荣誉称号。担任全国金属与非金属覆盖层标准化技术委员会副主任委员，中国表面工程协会第七届理事会理事，中国稀土学会第七届铸造合金专业委员会副主任委员等。主要从事稀土陶瓷热障涂层材料的研发，以及新型涂层制备技术的开发及推广应用。近年来作为项目负责人主持了国家自然科学基金 4 项、内蒙古科技重大专项、省部级科研项目多项。相关研究成果发表论文 100 余篇，其中被 SCI 收录 70 余篇。申报国家发明专利 39 件，其中授权 23 件。获得 2016 年内蒙古自然科学一等奖。
尹轶川（通讯作者） ，博士，毕业于南京理工大学，现任内蒙古工业大学材料科学与工程学院讲师。
李扬扬（第一作者 ），博士，毕业于内蒙古工业大学材料科学与工程学院，现就职于内蒙古科学技术研究院。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Liu L, Dong H, Zhang P, et al. Design and experimental investigation of potential low-thermal-conductivity high-entropy rare-earth zirconates. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13 (8): 1132-1142. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220923
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2024 年发文量为 174 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1498239.html
上一篇： 厦门大学李淑星/解荣军/赖义锋/郑交春：包芯结构荧光陶瓷实现高亮度激光照明光源 下一篇： 《政治经济学季刊》入选CSSCI(2025—2026)扩展版来源期刊
主题：SrZrO3晶体