Stedelijke gebieden zonder voldoende begroeiing zijn beduidend warmer dan hun omgeving. Dit "stedelijk hitte-eiland" effect is voornamelijk het gevolg van een absorptie van nabij-infrarood (NIR) straling in zonlicht. NIR-reflecterende pigmenten die dergelijke verhittingseffecten kunnen verminderen, zijn daarom zeer wenselijk.

Vooral functionele anorganische pigmenten zijn op dit vlak een aantrekkelijke kandidaat. Dr. Ryohei Oka en zijn collega van het Nagoya Institute of Technology, Japan, hebben zelfs aangetoond dat gelaagde perovskiet-keramische verbindingen van het type A₂ BO₄ zijn ideaal voor het reflecteren van NIR. In zijn vorige studie werd ontdekt dat nieuwe perovskieten zoals calcium-mangaanoxide met toevoeging van titanium (Ca₂ (Mn,Ti)O₄ ) keramiek is veel beter in het weerkaatsen van NIR-straling dan in de handel verkrijgbare zwarte pigmenten. Het mechanisme waarmee Ca₂ (Mn,Ti)O₄ deze opmerkelijke prestatie behaalt, blijft onbekend.

In een recente studie gepubliceerd in Inorganic Chemistry , analyseerden Dr. Oka en zijn collega, Dr. Tomokatsu Hayakawa, de structuur en samenstelling van Ca₂ (Mn,Ti)O₄ met behulp van een combinatie van standaard theoretische en experimentele technieken om de factoren te onderzoeken die bijdragen aan de verbeterde NIR-reflectiviteit. Dit artikel is op 19 april 2022 online beschikbaar gesteld en op 2 mei 2022 gepubliceerd in Volume 61 Issue 17 van het tijdschrift.

In hun werk gebruikte het duo röntgendiffractie (XRD) en Raman-spectroscopie in combinatie met een computationele methode genaamd "density functional theory" (DFT) om met succes ontbrekende details over de kristalstructuur en elektronische toestanden van Ca2 te extraheren. (Mn,Ti)O₄ . "Er zijn tot nu toe maar weinig onderzoeken uitgevoerd met Raman-spectroscopie van Ca₂ (Mn,Ti)O₄ . Bovendien hebben ze geen enkel detail gegeven van de vibratiemodi ervan. Informatie over de elektronische toestanden en vibratiemodi is echter cruciaal om te begrijpen hoe deze perovskieten zulke geweldige NIR-reflectoren blijken te zijn", zegt Dr. Oka, die de motivatie achter hun aanpak uitlegt.

Het duo analyseerde de kristalstructuur van calciummangaanoxide (Ca₂ MnO₄ ) en volgde de structurele veranderingen die optraden met de toevoeging van Ti-onzuiverheden. Bovendien identificeerden ze hoe de chemische bindingen in het perovskiet worden gewijzigd bij het introduceren van Ti-onzuiverheden. Ze ontdekten dat, vergeleken met Ca₂ MnO₄ , Ca₂ (Mn,Ti)O₄ vertoonde een extra Raman-piek die waarschijnlijk te wijten was aan de activering van een "stille modus" veroorzaakt door de Ti-onzuiverheden. De XRD-patronen van Ca₂ MnO₄ en Ca₂ (Mn,Ti)O₄ identiek waren. Het duo schreef dit toe aan Ti-Ti-correlatie op een bepaalde afstand.

Een ander hoogtepunt van hun onderzoek was de opvallende overeenkomst tussen computationele resultaten van DFT en experimentele gegevens. De energiekloven verkregen uit de drie modellen voor Ca₂ (Mn,Ti)O₄ gebruikt door het duo in hun berekeningen kwamen met elkaar overeen, evenals de experimentele waarde. Bovendien was het resultaat onafhankelijk van Ti-substitutie of zijn positie in het kristal. Bovendien onthulden de berekeningen dat de verbeterde NIR-reflectiviteit bij het toevoegen van Ti-ionen het gevolg was van een verlaging van de "dichtheid van toestanden" (het aantal elektronische toestanden per volume-eenheid per eenheid energie) nabij het Fermi-niveau (het hoogste energieniveau dat een elektron kan bezetten bij absolute nultemperatuur).

Deze bevindingen brengen ons een stap dichter bij het onthullen van de thermische afschermingseigenschap van perovskiet-keramiek. De perfecte combinatie van experimentele en theoretische benaderingen die in dit onderzoek zijn ontwikkeld, biedt een algemeen recept voor het begrijpen van de structuur en eigenschappen van niet alleen A₂ BO₄ type keramiek maar een reeks complexe perovskiet keramiek. Zoals Dr. Oka het stelt:"Deze combinatiebenadering is toepasbaar op een breed scala van gefunctionaliseerde kristallijne keramiek om hun optische, elektronische en magnetische eigenschappen op een veel betere manier te begrijpen met betrouwbaardere structurele modellen die rekenkundig zijn verkregen."

Het gedetailleerde begrip van het verbeterde NIR-reflectiemechanisme zou inderdaad buitengewoon gunstig zijn, aangezien anorganische pigmenten meer worden toegepast als superieure thermische coatings voor stedelijke gebouwen. + Verder verkennen

Onderzoek naar de cruciale overdrachtsprocessen en dynamiek van ladingsdragers binnen perovskiet actieve lagen