钙钛矿型催化材料的制备
引言 (1)
1.钙钛矿型催化剂的结构 (1)
2.钙钛矿型催化材料的制备方法 (2)
2.1固相反应法 (2)
2.2共沉淀法 (2)
2.3非晶态配合物法 (2)
2.4溶胶－凝胶法 (2)
2.5机械混合法 (4)
2.6水热合成法 (4)
2.7燃烧合成法 (5)
结论 (7)
参考文献 (8)
致谢 (9)
钙钛矿型氧化物具有独特的物理性质(如铁磁性、铁电性、超导性、热导性、吸附性等)。更重要的是,由于钙钛矿型氧化物在元素组配和晶体结构方面具有灵活的可“化学剪裁”的设计特点使得此类材料在催化氧化、环境催化、催化加氢、加氢裂解、光催化、固体燃料电池及化学传感器等方面得到了广泛的研究和应用。钙钛矿型氧化物是一类完全氧化型催化材料,加之其化学结构的高温稳定性,使它们在煤、天然气和燃料催化燃烧等方面的应用日益受到重视,成为催化化学领域的研究热点，同时钙钛矿型催化材料的制备成为钙钛氧化物新的研究方向。
1.钙钛矿型催化剂的结构
钙钛矿最初是指以CaTiO3形式存在的无机矿物，后来就成为具有化学式ABO且与CaTiO3有相同晶体结构类型化合物的代称。结构与天然钙钛矿ABO3类似的稀土复合氧化物是目前研究较多的具有多种特殊物理化学性能的新型固体材料之一。
理想的钙钛矿型复合氧化物ABO3为立方结构，如图1所示。在这中，A位为半径较大的稀土金属离子，周围有12个氧阴离子配位，形成积，处于这些八面体所构成的空穴中心；B位为半径较小的过渡金属离子阴离子为6配位，B位过渡金属离子被八面体分布的氧所包围，；O位于立条棱的中心，见图1。钙钛矿稳定性主要来自于刚性的BO6八面体堆积伦(Madelung)能。在ABO3计量化合物中，为满足电中性要求，A n+、B m+是:n+m=6，但没有A的价态比B的高的化合物。这种配位型式和立方最密每个堆积球周的配位情况是相同的。因此要求B是优先选用八面体配位子。占据大十二面体间隙的A离子大小必须合适。这是由于十二面体和八境中，A和B的稳定性需要限制了A和B化合的可能性，并且在氧化物骨架中大的正离子，由于它要和氧负离子作立方最密堆积，所以A的大小应和氧的大小相当，B离子是小的离子，处于八面体配位之中。
2.钙钛矿型催化材料的制备方法
2.1固相反应法
固相反应法是将金属元素的氧化物按化学计量配比混合－预烧－球磨－烧结形成复合氧化物。具体过程如下：将相应的金属氧化物或盐按化学计量比混合球磨，一段时间后取出干燥并灼烧得到粉料。球磨的目的是使得粉料能够混合均匀，通常是将粉料在水中球磨，然而由于水的表面张力较大，在干燥过程中粉料容易团聚，因而很多情况下将原料在有机液体中进行球磨，如甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇等。这种方法简单，但是存在某些缺陷：烧结温度高、烧结时间长、化学均匀性差、球磨过程中容易引入杂质、粒径相对较大等，从而影响了产物活性。
2.2共沉淀法
共沉积法是将共结晶的金属盐经过热处理分解，得到混合更加均匀的金属氧化物，然后在高温下烧结形成钙钛矿型氧化物。由于共沉积法是溶液、离子级别的混合，克服了固态反应法混合不均的缺点。其具体方法为：将金属离子的可溶性盐溶液按化学计量比混合，加入共沉淀剂（如OH-，C2O42-，CO32-等)后，于一定温度下使溶液发生水解，形成小溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，以制各得到多组分沉淀物，成为共沉淀。所得共沉淀在空气中于一定温度下烧结即得催化剂粉末。共沉淀的特点是几个组分同时沉淀，各组分达到分子级的均匀混合，在热处理时可加速组分间的固相反应。一般共沉积法要将沉淀物经高温、长时间焙烧得到产物，所以容易造成粒子的团聚和比表面积的降低。所以，一般最后都要经过研磨。白雪等用Na2CO3·10H2O和NaOH 混合碱为沉淀剂制得了钙钛矿型结构的La1-x A x CoO3（A：Sr，Ba，D y，Y；X：0，0.1，0.2）复合氧化物。
2.3非晶态配合物法
该方法利用非晶态配合物－多齿配合物（如DTPA）作为金属元素的配位体，将不同比例的异金属离子均相混合，前驱体的配合物可含有多种金属元素，通过化学反应连到一起形成前驱体，烧结得到催化材料。该方法能够实现原子水平的上的并且各种金属元素的比例可以根据目标产物的需要任意调节，可称之为分子合金。
2.4溶胶－凝胶法
溶胶一凝胶法(501—Gel)是二十世纪七十年代发展起来的一种方法，早期主要用于制备陶瓷材料，它是一种制备纳米粒子的常用方法。通过该法制备的催化剂拥有更大的比表面积，晶体结构更加均匀。其原理是使金属醇盐或无机盐水解形成溶胶，再聚合生成凝胶，最后经干燥，焙烧得到产物。通过在水溶液中加入
有机配体与金属组分离子形成配合物，控制温度，pH值等条件使其水解，历经溶液一溶胶一凝胶途径而形成空间骨架结构，经脱水焙烧得到产物。其中以柠檬酸为配体的溶胶一凝胶法即柠檬酸法是现今制备纳米级催化剂的主要手段。溶胶一凝胶法的特点如下:(1)高纯度。粉料制备过程中无需机械混合，不易引入杂质;(2)化学均匀性好。由于溶胶一凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致;(3)颗粒细。胶粒尺寸小于100nln;(4)该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液中，经胶凝化不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中;(5)掺杂分布均匀。可溶性微量掺杂组分分布均匀，不会分离、偏析;(6)合成温度低，成分容易控制，粉末活性高;(7)工艺、设备简单，但原材料价格较贵。在焙烧温度下，合成纳米粒子的固相反应速度取决于各组元的分散程度各组元如能在略大于分子级的程度上分散均匀，不同组元只需在几个离子半径的距离范围内迁移就可相遇。所以凝胶的制备是溶胶一凝胶法的关键环节。而凝胶的干燥条件对反应过程影响也很大。同时在溶胶一凝胶法制备过程中，还常常出现颗粒的团聚问题。可通过机械研磨破碎、有机溶剂脱水、添加表面活性剂、共沸蒸馏、冷冻干燥、超临界干燥及超声波处理等方法降低团聚的程度。文献[6]细致研究了溶胶一凝胶法制备钙钦矿氧化物的方法，文中分别采用了苹果酸、柠檬酸、乳酸、丁二酸、酒石酸作为配体来制备钙钦矿氧化物。发现这些轻基酸与总的金属离子的摩尔比为3/n比较适宜，其中为轻基酸分子中的羧基COOH数。而其中苹果酸和柠檬酸制备的产物最好，烧结温度也最低。
对于溶胶形成凝胶体的制备有三种途径:(1)胶体溶液的凝胶化;(2)醇盐或硝酸盐前驱体的水解聚合继之超临界干燥得到凝胶;(3)醇盐前驱体的水解聚合在适宜环境下干燥、老化。其中以方法(3)最为常用，此溶胶一凝胶过程括水解和聚合形成溶胶（501）、溶胶的凝胶化为湿凝胶(Gel)、湿凝胶干燥等几个步骤。其过程如下图2所示。
图2 凝胶形成图
随后将所得的凝胶进行研磨焙烧，其焙烧的手段有高温烧结，微波烧结等多种方法。对于溶胶凝胶法具有以下几个特点:由于在制备过程中无需机械混合，不易引入杂质，因而得到的产品具有高纯度;由于溶胶一凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。一般采用此法得到的产品的粒径均属于纳米级。在溶胶凝胶法制备纳米材料的过程中，其关键步骤有两个步骤，第一个关键是凝胶形成过程，其影响因素有温度，温度太高凝胶网状结构易破坏，而且溶剂蒸发过快，离子不易均匀分布在凝胶中，得到的产品也不均匀，温度太低，反应时间太长，而且各种离子容易缓慢水解，产生各种副产物。另外一个因素，pH值的控制，其主要影响金属离子偏析，造成其得到的产品各组成的元素不是所需比例，或者纯度不高。另外，干燥阶段水和有机溶剂不断蒸发，固态基质的体积逐渐缩小。事实上，在干燥阶段是除网孔中的液体包含了一系列过程。最初，固体收缩的体积与蒸发掉的液体体积相当，此时，液/气界面仅在固体的外表面存在。随着干燥时间增长，固体的硬化程度增加，当其不能再继续进行收缩时，液体将进入到固体内部，被分隔在一个个网孔中。
此时，只有当内部的液体开始蒸发并扩散到固体外部时，进一步的干燥作用才能发生。当内部液体在常温常压下干燥时，得到的终产物干凝胶。当内部液体在超临界状态下蒸发时，终产物为气凝胶。在某些情况下，干凝胶的终体积比最初凝胶体积的10%还要小。在干燥期间，大孔中的溶剂和水蒸发了，而小孔中仍有残留溶剂，这样，将产生大的内压梯度[6]。该压力将导致大的块状材料的龟裂以及干燥的片状传感器进入水溶液之后的破碎。所以凝胶的制备是溶胶一凝胶法的关键环节。而凝胶的干燥条件对反应过程影响也很大。
第二个关键因素是烧结，烧结温度和烧结时间以及烧结气氛。烧结气氛对一些材料的特殊性能有影响，有些需要惰性气氛，是为了防止产品氧化等。对于烧结温度，温度如果太低，不容易形成钙钦矿型晶体结构，温度太高，一方面产品有可能破坏，另一方面，晶型可能在高温下发生转变。烧结时间也是一个重要的影响因素，对于高温烧结，时间不能太长，否则粒子会长大以及团聚，严重影响催化性能。
总的来说，溶胶凝胶法是制备纳米材料的一种很好的方法。工艺、设备简单，但原材料价格较贵。在焙烧温度下，合成纳米粒子的固相反应速度取决于各组元的分散程度。各组元如能在略大于分子级的程度上分散均匀，不同组元只需在几个离子半径的距离范围内迁移就可相遇。
2.5机械混合法
通常做法是将对应氧化物的硝酸盐溶解后蒸干，所得混合物加入溶剂在球磨机中研磨，将研磨液移出经处理后再高温煅烧即得样品。该法制备过程简单，但需要较高的温度，所制得的粉体比表面积较小，且多混有杂相。宋崇林等采用机械混合法制备了稀土钙钛矿型催化剂LaBO3（B=Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu）系列稀土钙钛矿型氧化物催化剂。
2.6水热合成法
该法最早是用于分子筛的合成。它是借助于高压釜中溶剂本身产生的高压气氛,使合成反应能在较低温度(<300℃)下进行,直接制备出或经较低温度(<800℃)再灼烧后形成晶体结构。近年来,人们大大地拓宽了水热合成法的应用范围,已将之用于纳米或多孔钙钛矿型催化物的制备。
因BaTiO3和PbZr1-x O3(PZT)具有独特的绝缘性,使其在电子设备等领域显示出广阔的应用前景,故而引起了研究者的极大兴趣。在水热条件下,强碱性Ba2+溶液与锐钛矿型TiO2在85℃反应一定时间后即可形成BaTiO3钙钛矿型晶体。以由醇盐水解得到的钛和锆的复合氧化物或以ZrOC l2,Pb(NO3)2和TiO2等作为前驱体,在150℃水热晶化一定时间后能得到钙钛矿结构的PbZr1-x O3晶体。从这些ABO3晶体的合成研究结果,人们可得出粒子尺寸及形貌的控制方法。例如:改变溶剂异丙醇的加入量能将BaTiO3晶粒度控制在30~90 nm之间;向反应体系中加入氢氧化四甲基铵,能使所形成的PZT晶体的形貌由棒状转变成立方块。除了BaTiO3和和PZT之外，应用水热合成法还成功的制备出了SrTiO3, PbTiO3, NaCe1-x Nd x Ti2-y V y O6，MZrO3(M = Ca, Sr,Ba), NaNbO3, NaTaO3和KTaO3等。由于具有巨磁电阻效应和优良催化性能,人们对La1-x M x MnO3(M= Ca, Sr, Ba)的水热合成
研究得比较多。以KMnO4和Mn(CH2COO)2(或MnCl2)为Mn源,采用水热法合成出了单相立方钙钛矿La0.5A0.5MoO3(A=Sr, Ba),其中La0.5Sr0.5MnO3纳米线的直径和长度分别为40 nm和4μm(长径比高达100∶1),经240℃水热72 h后得到的La0.5Ba0.5MnO3则是粒径为3~5μm的立方块。采用不同的锰源和水热条件,可得到直径为30~150 nm,长度达几十个μm的La0.5Ba0.5MnO3纳米线。采用与文献[7]相类似的水热合成法制备La1-x Ba x MnO3,当水热温度升至300℃时,即能形成具有钙钛矿结构且呈立方块形貌的纳米粒子。显然,提高水热温度有利于粒子形貌从纳米线向纳立方块的转变。此外,前驱液的碱度对所要合成的物质的晶体结构及其形貌也有重要影响。例如,当KOH浓度等于18 mol·L-1时,可得到单相钙钛矿型结构的La0.7Ba0.3MnO3;当KOH浓度小于18 mol·L-1时,则得到La0.7Ba0.3MnO3纳米管和La(OH)3纳米棒,此外还可得到La1-x Ba x MnO3(x= 0. 5, 0. 6)纳米立方块和BaMnO3纳米粒子。目前,人们普遍认为金属源、pH值、水热时间、水热温度和表面活性剂种类等均会对水热合成产物的晶相结构和表面形貌产生重要影响。
胡瑞生等采用水热合成法成功地制得了高比表面积的钙钛矿型氧化La1-x Sr x MnO3(x=0,.4)纳米粒子[8][9],经700℃灼烧得到的LaMnO3和650℃灼烧得到的La0.6Sr0.4MnO3均为单相六方钙钛矿结构,比表面积分别为33和31 m2·g-1。还采用柠檬酸络合-水热合成联用法制备出较均匀的短棒状单相菱方钙钛矿结构的La1-x Sr x CoO3-δ(x=0, 0.4)纳米粒子催化剂[10],其比表面积为20~26 m2·g-1。由于水热合成法具有合成条件温和、产物纯度高、晶粒发育完整、粒径小且分布较均匀、无明显团聚、形貌可控等优点,且兼有合成路线和装置简单以及合成所需温度较低等特点,因而此法已成为一种颇有应用前景的制备不同形貌钙钛矿型氧化物的方法。
2.7燃烧合成法
自蔓延高温合成(SHS),或称燃烧合成成自1967年在前苏联发现以来，已有30多年历史[11]。展可分为两个阶段:即在前苏联范围内的发展和以后世界范围的发展。以Med Mov为代表的前苏联科学家对理论的建立和SHS技术及材料的发展做了大量的工作。他们在经典燃烧理论的基础上发展了燃烧理论。随着SHS 在材料合成和制备上的应用，又将燃烧科学和材料科学结合起来，并提出了结构宏观动力学理论企图建立SHS 过程中的燃烧过程和材料结构形成的关系。前苏联发展技术的基本特征是，局部点燃的燃烧波依靠自热自动传播，完成材料制备过程，因此称为自蔓延高温合成。80年代以后，传播到美、日和中等国家，开始世界范围的发展。
(1)燃烧合成法制备复合氧化物粉体[12]
低温燃烧合成(LCS)是相对于自蔓延高温合成(SHS)而提出的一种新型材料制备技。其主要过程是将可溶性金属盐(主要是硝酸盐)与燃料(如尿素、柠檬酸和氨基酸等)溶于水中、然后将溶液迅速加热、直至溶液发生沸腾、浓缩、冒烟和起火，整个燃烧过程可在数分钟内结束，其产物为硫松的氧化物或复合氧化物粉体。
一般认为，低温燃烧合成技术基于氧比一还原反应原理，其中硝酸盐(硝酸根离子)为氧比剂，而燃料为还原剂。采用LCS技术可合成用SHS技术难以合成的多组元纳米级氧化物粉体，因此近年来得到了广泛的重视。
(2)燃烧合成制备金属陶瓷复合材料[13][14]
燃烧合成技术也是一种新兴的制备金属陶瓷复合材料的方法，它是利用两种或两种以上的元素或化合物之间发生相互反应生成陶瓷相而达到强化基材的目的。组元间的强放热化学反应以及可使反应自发维持的燃烧波是燃烧合成技术的基础。采用这种技术可以制备金属陶瓷复合涂层，使普通金属材料得以表面冶金强化。
目前采用燃烧合成技术已成功地制备了陶瓷内衬复合钢管，但对于平面型工件表面燃烧合成涂层的研究并不多见。主要原因在于平面涂层的燃烧合成在工艺上实施较为困难，与钢管内形成涂层相比，反应没有约束力，故极为激烈，体系的热量损失也较大，加之难以像动态法那样施加外力场，因此涂层的致密化也很困难。此外，由于大多数陶瓷与金属基材的润湿性不好，也给涂层的合成带来相当大的难度。
由于金属陶瓷涂层具有许多不同的特殊功能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等等。因此可以作为一种材料表面改性的手段而广泛地应用于不同的领域，如用来制备复合装甲、高速线材导卫板、球磨机内衬材料和风机叶片等等。因此，平面陶瓷涂层具有广阔的应用前景，目前已成为燃烧合成涂层技术的研究重点。
结论
钙钛矿型催化材料与一般材料不同，具有热稳定性高、催化性能好等特点，可显示出一些特殊的物化性能，具有很好的CO，NO 及碳氢化合物的催化活性，且与贵金属催化剂相比价格低廉，因此成为人们关注的热点，是很有前途的治理环境污染催化剂。理想的ABO3为立方晶型，但随A、B 位及阴离子的掺杂，其晶型会发生相应的畸变，形成阳、阴离子缺陷或不同价态的B位离子。这种特殊结构的功能材料已发现具有良好的催化活性、巨磁电阻、电导性等特性。因此，人们可针对不同类型的化学反应的特点和对催化性质的要求，采用“化学剪裁”的方法设计出对不同类型的氧化还原反应具有高性能的ABO3催化材料，这是目前稀土钙钛矿型催化剂的一个研究热点与方向。
参考文献
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致谢
本论文是在我的导师郝占忠教授的悉心指导下完成的，在此我向我的导师表示深深的敬意和衷心的感谢！
钙钛矿型催化剂催化氧化NO讲解
钙钛矿型催化剂La1-x Ce x CoO3对一氧化氮的氧化催化研究 摘要 本文介绍了在钙钛矿氧化物中的NO的氧化性能的研究La1-x Ce x CoO3 (x = 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)通过柠檬酸盐法合成钙钛矿型氧化物并以XRD, BETand XPS为特征。当使用铈替代催化剂时催化活性显著增强，并取得了当x=0.2时活性最大，但X越大活性会降低。分析表明，表面上吸附的氧对NO氧化成NO2起着重要的作用。在室温下，NO和O2共吸附层之下的表面化合物，通过红外光谱和TPD实验进行了研究。有三个品种形成在表明上分别是：桥接硝酸盐，次硝酸和单齿硝酸盐。热稳定性的顺序为：单齿硝酸盐> 次硝酸>桥接硝酸盐。其中，仅单齿硝酸盐在300摄氏度以上会分解，解除吸附变为NO2进入气相。当Ce的加入，单齿硝酸盐解脱吸附的温度变低，另外两个品种的吸附减少。这可能与表面上的钴的氧化状态有关。通过对表征结果和催化活性的数据的结合分析显示，大量吸附的氧，表面上少量的非活性化合物和较低的NO2接触吸附温度会有利于NO的氧化。 ＃2007爱思唯尔B.V.保留所有权利。 1 介绍 对NO x催化消除的广泛研究已进行了多年。然而，除去柴油发动机和过量氧气贫燃条件下的汽油发动机中的NO x仍然是一个挑战。在研制的几个NO X氧化环境转化的过程中NO2总是比NO更加受宠，例如NO x的储存和还原技术（NSR）[1]，为去除氮氧化物和烟尘的连续再生陷阱技术（CRT）[2]，选择性催化还原氮氧化物（SCR），尤其是某些N-所含物种如氨或尿素。[3-5]我们还发现，形成二氧化氮是在NO的SCR的碳氢化合物机制的重要一步[6.7]。一些研究人员也开发了几种更复杂的系统，例如'VHRO系统'（V= 对NO到NO2的氧化催化剂，H =水解催化剂，R = SCR催化剂，O =对NH3的氧化催化剂）[5]和IAR法（在氧化和还原剂的还原催化剂之间加入）[8]。在这些系统中，它们都在NO的氧化添加还原剂之前设置一个预催化剂，使还原剂的效率得到显著改善。总之，在一氧化氮氧化为二氧化碳的过程中放置催化剂是使人非常感兴趣的。 铂基催化剂是现在最常用于NO氧化的催化剂。Despre′s Joe¨l等，观察到铂/二氧化硅（2.5重量％）可在300摄氏度时转换约80％的NO为NO2[9]。并且当铂
钙钛矿结构材料在催化方面的应用简述
钙钛矿结构材料在催化方面的应用简述 摘要：钛矿是地球上最多的矿物，经过定向合成的特殊钙钛矿类型材料，对很多污染物具有很好的催化降解效果。本文结合国内外研究研究成果，对钙钛矿的结构、制备方法、催化方面的应用以及目前的研究热点进行概述，以期对相关的研究工作进行指导。 关键字：钙钛矿、合成方法、催化反应 ABSTRACT:The titanium ore is most abundant on the earth. The special perovskite material stereospecific synthesized has good effect on the catalytic decomposition of many contaminants. This paper analyzed both domestic an foreign achievements, overviewed the structure of perovskite, the preparation methods, the application on the catalysis and the main focus of current research. To expect to be helpful for the relative research. KEY WORDS：the perovskite/preparation methods/catalytic reaction 1.钙钛矿的结构 钙钛矿是以俄罗斯地质学Preosvik的名子命名的，其结构通常有简单钙钛矿结构、双钙钛矿结构和层状钙钛矿结构。简单钙钛矿化合物的化学通式是ABX3，其中X通常为半径较小的O2+或F-，双钙钛矿结构( Double-Perovskite) 具有A2B2X6组成通式，层状钙钛矿结构组成较复杂, 研究较多的是具有通式A3B2O7以及具有超导性质的YBa2Cu3O7和三方层状钙钛La2Ca2MnO7等。目前, 研究最多的是组成为ABX3的钙钛矿结构类型化合物。 组成为ABO3的钙钛矿结构类型化合物, 所属晶系主要有正交、立方、菱方、四方、单斜和三斜晶系.，A位离子通常是稀土或者碱土具有较大离子半径的金属元素，它与12个氧配位，形成最密立方堆积，主要起稳定钙钛矿结构的作用；B位一般为离子半径较小的元素（一般为过渡金属元素，如Mn、Co、Fe等），它与6个氧配位，占据立方密堆积中的八面体中心，由于其价态的多变性使其通常成为决定钙钛矿结构类型材料很多性质的主要组成部分。与简单氧化物相比，钙钛矿结构可以使一些元素以非正常价态存在，具有非化学计量比的氧，或使活性金属以混合价态存在，使固体呈现某些特殊性质。由于固体的性质与其催化活性密切相关，钙钛矿结构的特殊性使其在催化方面得到广泛应用[1]。 2.钙钛矿的制备方法 材料的性质在很大程度上依赖于材料的制备方法。钙钛矿结构类型化合物的制备方法主要有传统的高温固相法( 陶瓷工艺方法) 、溶胶-凝胶法、水热合成法、高能球磨法和沉淀法，此外还有气相沉积法、超临界干燥法、微乳法及自蔓延高温燃烧合成法等。 1)高温固相法这是目前用的最多的一种方法，一般采用金属氧化物、碳酸盐或草酸盐等反应前驱物，反应起始物经过充分混合、煅烧，合成温度通常需要1000~1200℃[2]。高温固相法常用于合成多晶或晶粒较大的、烧结性较好的固体材料，产品的纯度较低，粒度分布不够均匀，适用于对材料纯度等要求不太高而且需求量较大的材料的制备.。 2)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法( Sol-Gel Process) 是化合物在水或低碳醇溶剂中经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理制备氧化物、复合氧化物和许多固
最新二维钙钛矿结构教学教材
二维钙钛矿发光材料的特性 有机金属卤素钙钛矿最近不仅在太阳能电池上，而且在显示领域也有巨大的潜力，如LED器件。通过对钙钛矿纳米晶体的特别调整来探索其光学特性可以很好地增强器件的效率和功能性。文章主要探索胶体有机金属卤素钙钛矿纳米片的结构特点，量子尺寸效应以及将这种二维钙钛矿材料应用于发光器件的优势和有待改进的地方。 关键词：纳米片；钙钛矿；光致发光；量子尺寸效应
2014年的诺贝尔物理学奖让基于蓝光LED的白光照明技术得以被人们广泛熟知。以砷化镓、氮化镓等材料为代表的无机发光二极管在显示、通讯以及照明领域有着重要的应用前景。而与无机材料相对于的，从20世纪90年代起，以有机材料为代表的电致发光二极管（OLED）发展迅猛，以轻薄、柔性、大面积发光、制备工艺简单、低温特性好等特点而备受关注。在照明领域OLED已经成为了LED的重要补充。相对于无机LED材料苛刻的工艺制备和昂贵的设备，OLED的制备相对简单，其发光光谱更容易调节和选择。而对于下一代的LED器件，我们认为其应该具备以下条件： i)高效率，高色纯且颜色可调节； ii)制备工艺简单，生产成本较低； 而这几年兴起的钙钛矿LED很好的吻合了这一趋势，在过去的两年里，钙钛矿LED的光致发光量子产率（PLQY）已经能够接近100%，并在亮度和效率方面达到了OLED近二十年发展才达到的水平；并且钙钛矿可以低温制备，极大降低了生产成本；鉴于器件中电子和空穴注入平衡可以使得器件的效率最大化，而钙钛矿材料作为双极性材料，可以同时很好的传输电子和空穴；通过对钙钛矿卤素阴离子和有机阳离子的混合掺杂，可以实现发光颜色可调节性；钙钛矿材料缓慢的俄歇复合，说明了其非辐射复合少而且钙钛矿发光的色彩的纯度高，光谱的半高全宽很窄。 但是，钙钛矿材料应用于发光器件也存在着一些问题： i)器件中载流子在钙钛矿材料中的有效注入差，以及漏电流大 ii)钙钛矿材料的载流子复合效率低 iii)激子结合能很小 由于钙钛矿发光器件的薄膜很薄，其孔洞较多。因而对于实现钙钛矿材料的有效注入，减少漏电流显得十分重要。目前研究人员主要是通过化学的方法来研究：一种方法是在钙钛矿前驱体溶液中加入酸性物质（如HBr），来减缓结晶速率获得又薄又好的膜；一种方法是添加物质来降低前驱体溶液的溶解度，诱导快速成核以降低晶粒尺寸，提升薄膜的平整度[3]。还可以制备一种聚合物-钙钛矿混合薄膜，通过在钙钛矿中掺入绝缘的聚合物（如PIP，PEO 等）来钝化这些空洞，虽然绝缘的聚合物使得电流密度下降，但是开启电压下降，EQE得到增强[1,2]。 而对于钙钛矿材料的载流子复合效率低以及激子结合能比较小的问题，目前科研人员主要是通过降低体钙钛矿的维度，形成层状的二维或准二维的钙钛矿结构，来利用这种纳米结构的量子限域效应提高载流子的复合，增加激子结合能。为了更好地理解这种层状结构，我们首先了解一下钙钛矿的基本结构。
【文献综述】类钙钛矿型金属有机框架材料的制备与结构研究
文献综述 应用化学 类钙钛矿型金属有机框架材料的制备与结构研究 1. 金属有机框架（MOFs）的概述 金属有机框架材料是一类由金属离子与含氧、氮等的多齿有机配体(大多数是芳香多酸)自组装形成的微孔网络结构的配位聚合物。按配体的不同,可分为羧酸类配合物、含氮杂环类配体聚合物、混合配体类配合物、有机膦配体构筑的配位聚合物等[1-2]。MOFs材料的结构特点主要有:①多孔性与孔形状的多样性。②比表面积大。③结构的多样性。④金属配位的不饱和性。 有机和无机化合物相结合而形成的金属有机框架在构筑模式上不同于传统的多孔材料(如沸石和活炭)，它通过配体的几何构型控制网格的结构，利用有机桥联单元与金属离子组装得到可预测几何结构的固体，而这些固体又可体现出预想的功能[3]。与传统的分子筛磷酸铝体系相比，MOFs具有产率较高、微孔尺寸和形状可调、结构和功能变化多样的特点，另外，与碳纳米结构和其它无序的多孔材料相比，MOFs具有高度有序的结晶态，可以为实验和理论计算研究提供简单的模型，从而有助于提高对于气体吸附作用的理解。2.金属有机框架（MOFs）的合成 目前, 人们设计与组装手性多孔金属有机材料主要有以下一些方法: (1) 利用配体的不对称性, 同金属离子组装获得手性的多孔金属有机框架材料, 但该化合物在宏观上没有光学活性(单个的晶体除外)；(2) 以消旋的手性配体为构筑块, 在同金属离子自组装过程中通过发生自我拆分来获得手性的多孔金属有机框架材料；(3)以光学活性的配体为构筑块, 同金属离子组装获得单一手性金属有机多孔材料[4]。具体的实验方法有水热，溶剂热和溶剂扩散法等。扩散方法条件比较温和,易获得高质量的单晶用于结构分析,但是比较耗时,而且要求反应物的溶解性要比较好,室温下能溶解。溶剂热生长技术具有晶体生长完美、设备简单、节省能量等优点,从而成为近年来使用的热点。 有研究表明,合成的方法不同得到的MOFs的性能有可能不一样。J . Perles 等用溶剂热法合成Sc(BDC)3时用有机酸及其钠盐的混合液为有机配体,并加入O-Phen (邻菲罗啉) 来调整溶液的pH值,最后得到了单一相的产物,这可以用来指导我们合成高纯度的MOFs。 3．金属有机框架（MOFs）的结构和性能 MOFs主要是通过金属离子和有机配体自组装的方式，由金属或金属簇作为顶点，通
钙钛矿型复合氧化物光催化研究进展
第18卷第7期2006年7月化学研究与应用 Chem ica lR esea rch and A pp licati on V o.l 18,N o .7 J u.l ,2006 收稿日期:2004-11-22;修回日期:2005-05-17基金项目:河南省自然科学基金(0424270073)项目资助 联系人简介:牛新书(1954-),男,教授,主要从事无机纳米材料研究。Te:l 0373-******* 文章编号:1004-1656(2006)07-0770-06 钙钛矿型复合氧化物光催化研究进展 牛新书,曹志民 (河南师范大学化学与环境科学学院,河南省环境污染控制重点实验室,河南 新乡 453007) 摘要:扼要叙述了钙钛矿型复合氧化物(ABO 3)作为光催化剂的研究进展。包括结构,机理,制备,改性和研究现状。强调了结构与性能之间的关系并对其研究方向提出了自己的见解。关键词:钙钛矿型复合氧化物;光催化;半导体中图分类号:O 643 3 文献标识码:A Fu ji s hi m a 和H onda [1] 在1972年的发现标志着多相光催化新时代的开始。此后T i O 2因其稳定的结构和性能,低廉的价格且无毒无害等优点吸引了人们的注意,围绕T i O 2光催化性能的大量研究取得了一定的进展,但T i O 2较宽的能隙(3 2ev)决定了其只能吸收紫外光波。长期以来,受T i O 2自身结构和合成条件限制,大量研究集中于阳离子掺杂[2] ,目前较为前沿的是阴离子掺杂[3,4,5],但此方面的研究仅见有少量的文献报导,所得到的可见光催化活性还比较低[6] 。总体来说,在提高T i O 2对太阳能的利用率方面没有取得巨大突破,因此人们仍在寻找新的高效光催化剂。钙钛矿是地球上最多的矿物,由于其全范围的电气性能,人们很早就开始了钙钛矿结构的人造晶体的合成以及对其在铁电、压电、超导等性能方面的研究与应用,另外,在气敏材料、汽车尾气净化、 催化有机合成[7,8,9,10] 等方面钙钛矿型复合氧化物也表现出了良好的性能。近年来,白树林、傅希贤[12,17] 等系统研究了钙钛矿型复合氧化物(ABO 3)在光催化方面的性能,结果显示了钙钛矿型复合氧化物在光催化方面具有潜在的应用价值。本文将对AB O 3型复合氧化物的光催化研究进展作一综述及评价。 1 A BO 3型复合氧化物的结构特征 图1 A BO 3结构示意图F i g .1 Sche m e o f ABO 3structure 理想的钙钛矿晶体为立方结构,满足空间群 Pm 3m Oh ,其中A 为较大的阳离子,与12个O 配位,位于立方体的中心。B 为较小的阳离子,与6个O 配位,位于6个O 组成的8面体中心(图1)。理想的钙钛矿结构中,R A >0 090nm,R B >0 051n m [13] ,A O 之间的距离应为20 5 a /2(a 为晶胞参数),B O 之间的距离应为0 5a ,3种离子半径应满足下列关系式: r A +r O =2 0 5 (r B +r O )实际情况下,许多ABO 3型复合氧化物不满足上述关系式时仍能保持立方结构,针对这种情况,Go l d schm idt [14]引入了允许因子,t 规定:
钙钛矿型复合氧化物材料
钙钛矿型复合氧化物材料 钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,被应用或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点[1～4]。 1钙钛矿结构 钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(ＣａＴｉＯ3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,Ａ2+和Ｏ2＿离子共同构成近似立方密堆积,Ａ离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个ＢＯ6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4Ａ～2Ｂ)连接,Ｂ2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,Ａ、Ｂ离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系: 其中ＲＡ、ＲＢ、ＲＯ分别为Ａ离子、Ｂ离子和Ｏ2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容忍因子ｔ来度量: 理想结构只在ｔ接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当ｔ在0.77～1.1,以钙钛矿存在;ｔ<0.77,以铁钛矿存在;ｔ>1.1时以方解石或文石型存在。 2钙钛矿型氧化物材料的研究进展 标准钙钛矿中Ａ或Ｂ位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的Ｂ位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。 2.1固体氧化物燃料电池(ＳＯＦＣ)材料 钙钛矿氧化物燃料电池ＳＯＦＣ有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性
钙钛矿型催化材料的制备
引言 (1) 1.钙钛矿型催化剂的结构 (1) 2.钙钛矿型催化材料的制备方法 (2) 2.1固相反应法 (2) 2.2共沉淀法 (2) 2.3非晶态配合物法 (2) 2.4溶胶－凝胶法 (2) 2.5机械混合法 (4) 2.6水热合成法 (4) 2.7燃烧合成法 (5) 结论 (7) 参考文献 (8) 致谢 (9)
钙钛矿型氧化物具有独特的物理性质(如铁磁性、铁电性、超导性、热导性、吸附性等)。更重要的是,由于钙钛矿型氧化物在元素组配和晶体结构方面具有灵活的可“化学剪裁”的设计特点使得此类材料在催化氧化、环境催化、催化加氢、加氢裂解、光催化、固体燃料电池及化学传感器等方面得到了广泛的研究和应用。钙钛矿型氧化物是一类完全氧化型催化材料,加之其化学结构的高温稳定性,使它们在煤、天然气和燃料催化燃烧等方面的应用日益受到重视,成为催化化学领域的研究热点，同时钙钛矿型催化材料的制备成为钙钛氧化物新的研究方向。 1.钙钛矿型催化剂的结构 钙钛矿最初是指以CaTiO3形式存在的无机矿物，后来就成为具有化学式ABO且与CaTiO3有相同晶体结构类型化合物的代称。结构与天然钙钛矿ABO3类似的稀土复合氧化物是目前研究较多的具有多种特殊物理化学性能的新型固体材料之一。 理想的钙钛矿型复合氧化物ABO3为立方结构，如图1所示。在这中，A位为半径较大的稀土金属离子，周围有12个氧阴离子配位，形成积，处于这些八面体所构成的空穴中心；B位为半径较小的过渡金属离子阴离子为6配位，B位过渡金属离子被八面体分布的氧所包围，；O位于立条棱的中心，见图1。钙钛矿稳定性主要来自于刚性的BO6八面体堆积伦(Madelung)能。在ABO3计量化合物中，为满足电中性要求，A n+、B m+是:n+m=6，但没有A的价态比B的高的化合物。这种配位型式和立方最密每个堆积球周的配位情况是相同的。因此要求B是优先选用八面体配位子。占据大十二面体间隙的A离子大小必须合适。这是由于十二面体和八境中，A和B的稳定性需要限制了A和B化合的可能性，并且在氧化物骨架中大的正离子，由于它要和氧负离子作立方最密堆积，所以A的大小应和氧的大小相当，B离子是小的离子，处于八面体配位之中。
钙钛矿太阳能电池材料
背景 在能源紧缺的现代社会，为了维持人类的可持续发展，科学家们一直致力于新能源的研究，其中至少在几十亿年内都取之不尽的太阳能便成了热门的研究对象。 太阳能电池大家都不陌生，它通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能。钙钛矿材料我们也很熟悉，就是一类有着与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的材料，其结构式一般为ABX3，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子。 但钙钛矿太阳能电池却是一个比较新的概念。 2009年日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高%的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起点 但它直到2014年左右才被人们重视起来。是因为在短短几年间其效率一直在显著提升，这是NREL上实验室最高电池效率的图，我们可以看出钙钛矿材料的效率上升速率远远超过了其他同类型材料。钙钛矿材料被认为是最有可能取代硅晶材料作为太阳能电池的材料 概述 钙钛矿太阳电池一般采用有机无机混合结晶材料——如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（X=Cl, Br, I）作为光吸收材料。该材料具有合适的能带结构，其禁带宽度为，因与太阳光谱匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度就能够吸收几乎全部的可见光并用于光电转换。 如图所示，这是钙钛矿太阳能电池的一般结构结构，由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。其中电子传输层常常用TiO2 钙钛矿电池一个显著的特点是IV曲线（伏安曲线）的滞后（I-V hysteresis）（通常叫滞后现象或迟滞现象），一般从反向扫描（开路电压－短路电流）得到的曲线比正向扫描（短路电流－开路电压）看起来好很多。现在对钙钛矿的这种现象还没有一个很好的解释，目前比较合理的解释是：钙钛矿材料具有很强的铁电性能（ferroelectricity）以及巨大的介电常数，导致电池的低频电容很大，比其他任何一种光伏电池都显著。 文献
光催化剂
光催化剂概述 第一篇 通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思，光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。 光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。 世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。在早期，也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性，故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料，部分工业光催化领域还在使用。 二氧化钛是一种半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)，金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。 二氧化钛是氧化物半导体的一种，是世界上产量非常大的一种基础化工原料，普通的二氧化钛一般称为体相半导体以与纳米二氧化钛相区分。具有Anatase或者Rutile结构的二氧化钛在具有一定能量的光子激发下[光子激发原理参考光触媒反应原理]能使分子轨 道中的电子离开价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)。从而在材料价带形成光生空穴[Hole+]，在导带形成光生电子[e-],在体相二氧化钛中由于二氧化钛颗粒很大，光生电子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合，从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。但是纳米的二氧化钛颗粒由于尺寸很小，所以电子比较容易扩散到晶体表面，导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区-光生电子和光生空穴。由于光生电子和光生空穴都有很强的能量，远远高出一般有机污染物的分子链的强度，所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应，产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用，一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。
钙钛矿结构类型的功能材料的结构单元和结构演变_康振晋[1]
钙钛矿结构类型的功能材料的结构单元和结构演变 康振晋 孙尚梅 郭振平 (延边大学理工学院 吉林延吉 133002) 摘 要 阐述了钙钛矿类型结构的本质特征是A位阳离子与氧负离子共同组成基本密堆层,A位阳离子价态变化在产生氧空位和B位阳离子混合价态中起决定性作用。提出了十四种氧缺乏的钙钛矿结构单元,可以组合成各种氧化物功能材料的结构演变规律。从结构分析和设计的角度为制备功能材料提供了新思路。 关键词 钙钛矿 功能材料 氧空位 结构单元 结构演变 Abstract T he paper states that the ba sic featur e o f pe rov skite structure is the for matio n o f closely pa cked layer s fro m o x yg en anio ns and A-catio ns.T he v ale nce v ariation o f A-ca tio ns co ntro ls the for ma-tio n o f o xy ge n v acancies a nd leads to pro ductio n o f B-cations w ith mix ed v ale nces.Fo urtee n ox yg en-deficient structura l mo dules w er e a lso sug gested which allow to yield a v a riety of per ov skite-r ela ted str uctur es. Key words per ov skite,functio nal material,o x yg en v acancy,mo dule,str uctur al ev olutio n 1 钙钛矿类型晶体的结构特征 理想的钙钛矿结构组成为ABO3,它是以B位或A位阳离子为结点的立方晶体,其单元晶胞示于图1a。如果从B位阳离子的配位多面体角度观察,钙钛矿结构是由BO6八面体共顶点组成三维网格,A阳离子填充于其形成的十二面体空穴中。然而,从原子的堆垛角度观察,它却可以看作两种原子层交替堆垛而成。在图1中,我们把同处于一个堆垛面的八面体的等边三角形侧面,用一种阴影勾画出来。例如,灰色的侧面称α层,用沙砾状表示的侧面为β层。α和β层是同一种层,只是它们之间夹了一层B阳离子层(填充于层间的八面体空穴中)。在图1(b)和(c)中画出了层中氧离子和A阳离子的排列情况,它清楚的表明:(1)每个A阳离子周围环绕着6个氧阴离子(2)在相邻的3个A阳离子之间(它们组成正三角形)有3个氧阴离子,它们构成小正三角形,每个氧离子位于两个相邻A阳离子中间(3)如果以A阳离子为中心观察,A阳离子组成一个六方密堆层,在此密堆层的基本单元-正三角形内,有一个氧负离子密堆单元-小正三角形,这是一个负电荷集中区,为了使3个氧负离子稳定地组合在一起,B阳离子必须也只有位于此中心。以A阳离子为结点堆垛形成立方点阵时,在其密堆单元中的氧阴离子密堆单元相互旋转600堆垛形成6配位的八面体空间,B阳离子便处于此空间的中心。B阳离子为过渡金属,其d电子轨道杂化,与6个氧离子的价层轨道重叠而结合。在A阳离子与氧阴离子的密堆层中,氧密堆单元中三个氧离子实际上是分属于三个氧的立方点阵的,加上A阳离子、B阳离子的立方点阵,这五个立方点阵有序的穿插在一起,就构成了钙钛矿晶体的单元晶胞(图2)[1]。 康振晋 男,53岁,副教授,主要从事无机化学教学与功能材料研究。 1999-11-10收稿
钙钛矿型复合氧化物材料(1)
钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,被应用或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点[1～4]。1 钙钛矿结构钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(ｃａｔｉｏ3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,ａ2+和ｏ2＿离子共同构成近似立方密堆积,ａ离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个ｂｏ6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4ａ～2ｂ)连接,ｂ2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,ａ、ｂ离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系: 其中ｒａ、ｒｂ、ｒｏ分别为ａ离子、ｂ离子和ｏ2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容忍因子ｔ来度量: 理想结构只在ｔ接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当ｔ在0.77～1.1,以钙钛矿存在;ｔ<0.77,以铁钛矿存在;ｔ&1.1时以方解石或文石型存在。2 钙钛矿型氧化物材料的研究进展标准钙钛矿中ａ或ｂ位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的ｂ位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。2.1 固体氧化物燃料电池(ｓｏｆｃ)材料钙钛矿氧化物燃料电池ｓｏｆｃ有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料,获得了好的结果。因为元素锰的ｄ电子结构在锰的三价和四价两种氧化物之间快速传递,表现出很高的电子导电性及良好的电极可充性[5]。通过掺杂ｐｂ、ｃｏ、ｂａ、ｃａ、ｓｒ等元素的复合钙钛矿结构,获得掺杂后的改性电极材料,ｐｂ的掺入会对ｍｎ—ｏ的成键状态和ｍｎｏ2晶格内的结晶水产生影响,使ｍｎ2ｐ3.2能级产生化学位移,结合能增大,ｍｎ—ｏ离子性增加,共价性减小。经过对改性电极的充放电机理实验,纳米掺杂后电池的放电容量提高40%以上[6]。ｌａ1-ｘｓｒｘｆｅ1-ｙｃｏｙｏ3作为一种混合导体材料,具有优良的电子导电性能和离子导电性能,与ｌａ0.9ｓｒ0.1ｃａ0.8ｍｇ0.2ｏ3、ｃｅ0.9ｇｄ0.1ｏ1.95等新一代中温固体氧化物电解质有很好的相容性。因此,ｌａ1-ｘｓｒｘｆｅ1-ｙｃｏｙｏ3体系材料是一种很有发展前景的中温ｓｏｆｃ阴极材料[7]。ｍａｔｈｅｒ等[8]用硝酸盐与尿素熔融燃烧法制备了金属阳极陶瓷材料ｎｉｓｒｃｅ0.9ｙｂ0.1ｏ3-δ,实验结果表明ｃｏ的加入可降低烧结温度,可获得高的阳极孔隙率有利于阳极和电解质的吸附,经分析阳极上的亚微孔结构微粒由镍和钙钛矿粒子组成。然而,现有钙钛矿型复合氧化物的离子电导率低,高温下呈现电子或氧离子导电性。在燃料电池应用研究中,高温下器件可稳定运行,但器件的效率或功率较低。以钙钛矿型复合氧化物为电解质时,须在大于700℃的高温下使用。因此,离子导电性高、温度使用范围宽的固体电解质及电极材料研究是今后的主要目标。现有的基质材料ｍｎｃｅｏ3因稳定性和机械强度的问题,实现实用化仍存在一定难度;基质材料ｍｎｚｒｏ3虽具有较高的稳定性和机械强度,但材料离子电导率低,其燃料电池的功率很难满足要求。2.2 钙钛矿锰氧化物磁制冷材料磁制冷是利用固体磁性材料的磁热效应来达到制冷的目的。磁卡效应(ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃｅｆｆｅｃｔ,ｍｃｅ)是指当分别对磁性材料等温磁化和绝热退磁时该材料相应地放热和吸热的一种现象。对于钙钛矿氧化物磁制冷材料,利用振动样品磁强计或超导量子干涉仪测量其等温磁化ｍ＿ｈ曲线或等磁场下的ｍ＿ｔ曲线,计算样品在ｔｃ温度下的磁熵变(即最大磁熵变),以此判断该材料作为磁制冷工质的可行性[13]。如果ａ位被离子半径更小的离子或ｂ位被离子半径更大的离子取代,那么取代的结果使容差因子减小,晶格收缩,铁磁耦合变小,从而使磁熵变减小。ｓｚｅｗｃｚｙｋ等[14]、陈伟等[15]以ｌａｍｎｏ3为基质材料用ｃａ、ｋ、ｓｒ、ｔｉ为掺杂离子详尽研究了不同磁场下掺杂后ｌａｍｎｏ3的最大磁熵
钙钛矿型复合氧化物材料(1).
钙钛矿型复合氧化物材料(1) 钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体 结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,被应用或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点[1～4]。 1 钙钛矿结构 钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(ｃａｔｉｏ3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,ａ2 和ｏ2＿离子共同构成近似立方密堆积,ａ离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个ｂｏ6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4ａ～2ｂ)连接,ｂ2 离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,ａ、ｂ离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系: 其中ｒａ、ｒｂ、ｒｏ分别为ａ离子、ｂ离子和ｏ2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容忍因子ｔ来度量: 理想结构只在ｔ接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当ｔ在0.77～1.1,以钙钛矿存在;ｔ<0.77,以铁钛矿存在;ｔ>1.1时以方解石或文石型存在。 2 钙钛矿型氧化物材料的研究进展 标准钙钛矿中ａ或ｂ位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的ｂ位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。 2.1 固体氧化物燃料电池(ｓｏｆｃ)材料 钙钛矿氧化物燃料电池ｓｏｆｃ有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本
钙钛矿太阳能电池材料
背景科学家们一直致力于在能源紧缺的现代社会，为了维持人类的可持续发展，其中至少在几十亿年内都取之不尽的太阳能便成了热门的研究对新能源的研究，象。它通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化太阳能电池大家都不陌生，）相同晶体CaTiO3成电能。钙钛矿材料我们也很熟悉，就是一类有着与钛酸钙（是阴离子。B是两种阳离子，X结构的材料，其结构式一般为ABX3，其中A和但钙钛矿太阳能电池却是一个比较新的概念。年日本桐荫横滨大学的宫坂力教授将碘化铅甲胺和溴化铅甲胺应用于2009的光电转化效率，此为钙钛矿光伏技术的起染料敏化太阳能电池，获得了最高%点 年左右才被人们重视起来。是因为在短短几年间其效率一直但它直到2014上实验室最高电池效率的图，我们可以看出钙钛矿材料NREL在显著提升，这是钙钛矿材料被认为是最有可能取代的效率上升速率远远超过了其他同类型材料。硅晶材料作为太阳能电池的材料 概述如有机金属三卤化物——钙钛矿太阳电池一般采用有机无机混合结晶材料）作为光吸收材料。该材料具有合适的能带结构，其禁X=Cl, Br, ICH3NH3PbX3（很薄的厚度就能够吸收因与太阳光谱匹配而具有良好的光吸收性能，带宽度为，几乎全部的可见光并用于光电转换。 如图所示，这是钙钛矿太阳能电池的一般结构结构，由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。其中电 子传输层常常用TiO2 钙钛矿电池一个显著的特点是IV曲线（伏安曲线）的滞后（I-V hysteresis）（通 常叫滞后现象或迟滞现象），一般从反向扫描（开路电压－短路电流）得到的曲线比正向扫描（短路电流－开路电压）看起来好很多。现在对钙钛矿的这种现象还没有一个很好的解释，目前比较合理的解释是：钙钛矿材料具有很强的铁电性能（ferroelectricity）以及巨大的介电常数，导致电池的低频电容很大，比其他任何一种光伏电池都显著。 文献 主要内容是第一篇是篇综述，我选取了五篇有关钙钛矿太阳能电池的文献，无机杂化钙钛矿太阳能电池中的研究进展；第二三篇分别-现在有机夹层在有机第四 五篇主要从介绍了的某个钙钛从滞后现象以及离子移动的机理上进行分析；矿太阳能电池材料。 1）是最有希望的第三代太阳能电池。它们PSC-无机杂化钙钛矿太阳能电池（有机的效率和长期稳定PSCPCE）且能耗更低。为了提高具有良好的功率转换效率（。以改变太阳能电池中特定界面提高性能。夹层”性，有机分子经常用作“第一性能的最新进展。本文分为三个部分。该篇文献回顾了使用夹层来优化PSC 第二部分讨论部分着重于介绍为什么有机分子夹层能够提高太阳能电池的性能；常用的分子中间层；在最后一部分，讨论了制作薄均匀夹层的方法。 -无机杂化钙钛矿太阳能电池中四种可能加入夹层的位置这张图展现了在有机 而作为夹层的材料可能是有机小分子，高聚物，金属氧化物等
钙钛矿复合氧化物材料
钙钛矿复合氧化物 钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,被应用或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点[1～4]。 1钙钛矿结构 钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(ＣａＴｉＯ3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,Ａ2+和Ｏ2＿离子共同构成近似立方密堆积,Ａ离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个ＢＯ6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4Ａ～2Ｂ)连接,Ｂ2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,Ａ、Ｂ离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系: 其中ＲＡ、ＲＢ、ＲＯ分别为Ａ离子、Ｂ离子和Ｏ2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容忍因子ｔ来度量: 理想结构只在ｔ接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当ｔ在0.77～1.1,以钙钛矿存在;ｔ1.1时以方解石或文石型存在。 2钙钛矿型氧化物材料的研究进展 标准钙钛矿中Ａ或Ｂ位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的Ｂ位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。 2.1固体氧化物燃料电池(ＳＯＦＣ)材料 钙钛矿氧化物燃料电池ＳＯＦＣ有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料,获得了好的结果。因为元素锰的ｄ电子结构在锰的三价和四价两种氧化物之间快速传递,表现出很高的电子导电性及良好的电极可充性[5]。通过掺杂Ｐｂ、Ｃｏ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ等元素的复合钙钛矿结构,获得掺杂后的改性电极材料,Ｐｂ的掺入会对Ｍｎ—Ｏ的成键状态和ＭｎＯ2晶格内的结晶水产生影响,使Ｍｎ2ｐ3.2能级产生化学位移,结合能增大,Ｍｎ—Ｏ离子性增加,共价性减小。经过对改性电极的充放电机理实验,纳米掺杂后电池的放电容量提高40%以上[6]。Ｌａ1-ｘＳｒｘＦｅ1-ｙＣｏｙＯ3作为一种混合导体材料,具有优良的电子导电性能和离子导电性能,与Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｃａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3、Ｃｅ0.9Ｇｄ0.1Ｏ1.95等新一代中温固体氧化物电解质
钙钛矿
钙钛矿 材物121 尤梓沣 121944 钙钛矿（Perovskite）化学组成: CaO 41.24%，TiO2 58.76%。 概述：钙钛矿一般为立方体或八面体形状，具有光泽，浅色到棕色。它们可用于提炼钛、铌和稀土元素，但必须是大量聚集时才有开采价值。类质同象混入物有Na、Ce、Fe、 Nb。常成副矿物见于碱性岩中；有时在蚀变的辉石岩中可以富集，主要与钛磁铁矿共生。钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点 标准钙钛矿中A或B位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的B位离子,是一类性 能优异、用途广泛的新型功能材料。钙钛矿是一种陶瓷氧化物，此类氧化物最早被发现者，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物，目前用的都是人为作出的，因此没有资源耗尽的问题，再加上这类材料制程简便，成本可以大幅下降，商用潜力无限。钙钛矿型太阳能电池是继染料敏化之后的又一新型有机/无机薄膜太阳能电池。钙钛矿材料晶格通常呈或八面体形状，分子通式为ABO3。钙钛矿太阳电池采用有机无机混合结晶材料——有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（X=Cl, Br, I）作为光吸收材料，该材料具有合适的能带结构，其
禁带宽度为1.5eV，因与太阳光谱匹配而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度能够吸收几乎全部的可见光用于光电转换。其中代表性的CH3NH3PbIxCl3-x（x=1，2，3）是具有钙钛矿结构的自组装晶体，短链有机离子、铅离子以及卤素离子分别占据钙钛矿晶格的A、B、X位置，由此构成三维立体结构，拥有近乎完美的结晶度。由于长链有序的PbCl3-或PbI3-八面体体系有利于电子的传输，该材料具有非常优异的电子输运特性，载流子扩散长度较传统有机半导体高出1-2个数量级，优异的材料性质为制备高效钙钛矿型薄膜太阳电池提供了基础。同时钙钛矿薄膜材料合成方法简易，既可以通过共蒸发法实现，也可以通过低成本溶液加工法实现。 与传统晶体硅太阳电池相比，钙钛矿薄膜太阳电池具有高开路电压（＞1V）、低温低能耗（＜200℃）、适合于柔性衬底材料等优势，可以兼顾效率和成本。钙钛矿太阳电池发展发展经历了敏化结构、介孔结构、柱状填充以及平面异质结等四个阶段。其中全固态平面异质结构具有制备工艺简单、转换效率高等特点。 钙钛矿太阳电池结构源于染料敏化太阳电池，早期钙钛矿太阳电池仍然需要多孔大比表面积的TiO2作为支撑结构。随着钙钛矿薄膜制备技术的进步，不再需要多孔TiO2薄膜吸附钙钛矿材料，可以采用致密TiO2薄膜甚至ZnO、Al2O3等材料替代TiO2，使钙钛矿电池从染料敏化电池中独立出来，由此形成的平面异质结构类似于硅电池的pin结构。
钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层及电子传输材料的制备研究
钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层及电子传输材料的制备 研究 Hans Journal of Nanotechnology 纳米技术, 2015, 5, 16-23 16 Investigation on Preparation of Perovskite Layer and Electron-Transport Materials for Perovskite Solar Cells Tianguo Deng1,2, Yun Gao2*, Xiaohong Xia2, Zhongbing Huang1 1Faculty of Physics and Electric Technology, Hubei University, Wuhan Hubei 2Faculty of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan Hubei
Received: Jan. 28th, 2015; accepted: Feb. 10th, 2015; published: Feb. 16th, 2015 Copyright ?? 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). Abstract In organic-inorganic hybrid halogen perovskite solar cell, the electron transport material and its interface with absorption layer play an important role in the efficiency of photoelectrical conver- sion. The mesoscopic structures of the electron-transport layer will directly influence the growth of perovskite layer, whose microstructures are crucial for the stability and life-span of solar cells.