铁掺杂YMnO3涂料：实现可控近红外反射与红外发射，赋能建筑节能降温

强烈的太阳辐射是夏季建筑温度飙升、空调能耗剧增的主要原因。据统计，太阳辐射中高达52%的能量集中在近红外（NIR，700-2500nm）波段。提升建筑物表面对近红外光线的反射能力，成为高效屏蔽太阳热量、降低制冷能耗的关键途径。近年来，开发具有高近红外反射率的环保型建筑外墙颜料，成为研究热点。其中，六方相YMnO3因其在近红外波段出色的反射性能，被视为一种有前景的“冷颜料”。

然而，理想的建筑降温涂层不仅需要高近红外反射率来阻挡太阳热量输入，还需要较高的红外发射率（尤其是在8-14μm大气窗口波段），以促进涂层自身热量的辐射散热，实现“空间冷却”。更重要的是，未来智能建筑对涂层的红外特性（包括近红外反射率和红外发射率）提出了可调控的需求。

铁掺杂YMnO3：实现红外性能可控的关键

针对这一需求，​铁掺杂正交YMnO3（YMn_1-xFe_xO₃）涂层的研究取得了突破性进展。研究发现，通过铁离子（Fe³⁺）替代掺杂，可以有效调控正交相YMnO3涂层的近红外反射率和红外发射率，使其成为性能可调的建筑节能降温材料。

熔盐合成（MSS）法：低温常压制备铁掺杂YMnO3

该研究采用简便的熔盐合成法（MSS）​，在相对低温和常压下成功制备了不同铁掺杂量（x=0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20）的正交YMn_1-xFe_xO₃颜料（简称F0, F5, F10, F15, F20）。

铁掺杂如何调控性能？机制揭示

深入研究发现，铁离子掺杂通过改变以下关键因素，协同作用实现了红外性能的可控调节：

1.粒子形貌演变：​ 随着铁掺杂量增加，颜料颗粒逐渐长大并呈现片状形态。这种片状结构有利于增强涂层在1500-2200nm波段的近红外反射率。

2.晶格畸变：​ Fe³⁺离子（半径≈0.645 Å）替代Mn³⁺离子（半径≈0.645 Å）或Mn⁴⁺离子（半径≈0.530 Å）会引起晶格畸变。这种结构变化显著提高了涂层在8-14μm ​大气窗口波段的红外发射率。

3.​电荷分布与吸收：​ 在中等铁掺杂量（如F10）的颜料中，Mn³⁺-Mn⁴⁺离子对的数量增加。这些离子对增强了自由载流子的吸收，导致涂层的红外发射率进一步提升。同时，带隙值也相应减小。

下图展示了不同铁掺杂量（F0, F5, F10, F15, F20）样品的红外光谱（400-1000 cm⁻¹范围），直观反映了铁掺杂对材料红外吸收特性的影响（图1f 进行了透射率对比）：

图1. (a) F0、(b) F5、(c) F10、(d) F15 和 (e) F20 粉末颜料的红外光谱。(f) 400-1000 cm 范围内的透射率比较^[1]

应用前景广阔

这项研究表明，​铁掺杂正交YMnO3是一种极具潜力的建筑节能降温材料。通过调控铁掺杂量，可以实现涂层近红外反射率和红外发射率的优化组合，有效利用近红外屏蔽和空间冷却双重机制降低建筑温度。其应用场景十分广泛：

• ​建筑外墙：​ 有效反射太阳热辐射，减少热量内传。
• ​车间/仓库屋顶：​ 大面积屋面降温，降低室内温度和设备能耗。
• ​交通设施：​ 如车站顶棚、地铁通风建筑等，改善局部热环境。

总结：​

利用熔盐合成法（MSS）制备的铁掺杂正交YMnO3（YMn_1-xFe_xO₃）颜料，通过改变铁掺杂量（x），可精确调控涂层的近红外反射率（尤其1500-2200nm波段）和红外发射率（尤其在8-14μm大气窗口）。这一特性使其成为满足下一代智能建筑对红外性能可控需求的理想候选材料，在建筑节能降温领域具有广阔的应用前景。

参考文献：[1]Ma Y, Chen Y, Wang Z, et al. Controllable near-infrared reflectivity and infrared emissivity with substitutional iron-doped orthorhombic YMnO3 coatings[J]. Solar Energy, 2020, 206: 778-786.

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