钙钛矿材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种钙钛矿材料，其中，所述钙钛矿材料的化学式为SrHg3Ti4O

【技术实现步骤摘要】
钙钛矿材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于材料领域。具体地，本专利技术涉及钙钛矿材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]ABO3型钙钛矿材料由于存在电荷、自旋、轨道和晶格等多种自由度，从而呈现出丰富的功能特性。例如：Ba1‑
x
K
x
BiO3呈现超导、La1‑
x
Sr
x
MnO3存在巨磁阻、BaTiO3存在铁电性，以及BiFeO3和TbMnO3存在多铁电性等。通常情况下，在ABO3型钙钛矿材料中，A位离子对稳定晶体结构有重要作用，B位过渡金属离子之间的B
‑
B相互作用主导材料的磁电特性。
[0003]近年来，关于AA
′3B4O
12
型A位有序钙钛矿材料的研究逐渐兴起。与ABO3型简单钙钛矿相比，在AA
′3B4O
12
型A位有序钙钛中，A
′
位和B位可以同时容纳过渡金属阳离子，因此存在A
′‑
A
′
以及A
′‑
B等多种新型相互作用，从而呈现出奇异复杂的物理现象。例如在宽温区宽频率范围内CaCu3Ti4O
12
保持着巨大的介电常数；LaCu3Fe4O
12
存在温度诱导的Cu
‑
Fe之间的电荷转移并伴随负热膨胀；立方钙钛矿LaMn3Cr4O
12
中观察到由磁电耦合所引起的多铁效应；CaCu3Mn4O
12
在低场下存在巨磁阻效应等。
[0004]SrTiO3是一类常见的钙钛矿化合物，属于立方晶系Pm
‑
3m空间群。该材料是一种典型的光催化材料，具有良好的电子
‑
空穴分离与输运特性。由于SrTiO3在光催化方面性能出色，引起了人们的极大关注。然而，由于SrTiO3的带隙宽度高达3.2eV，其只对太阳光中的紫外线具备吸收能力，而太阳光中紫外线的能量只占整个太阳辐射能量的5％左右，因此太阳能利用率较低。拓宽光响应范围以提高光催化性能是开发面向应用的SrTiO3光催化材料所需解决的首要问题。
[0005]传统的研究主要采用元素掺杂的方式使其带隙减小，从而使其吸收边红移，提高其吸收太阳能的能力。元素掺杂是拓宽光吸收区域的有效途径，现有技术一般是将三价金属阳离子，例如Rh
3+
、Cr
3+
等掺杂到SrTiO3中的Ti
4+
位。例如，采用Cr
3+
掺杂可以显著减小SrTiO3的带隙，使其吸收边明显红移至可见光区。然而，采用Cr
3+
等离子掺杂方式存在一个很大的缺点：由于掺杂在A位的Cr
3+
与B位的Ti
4+
价态不同，为了保持电荷平衡容易导致在SrTiO3晶格内产生Sr和O空位缺陷。该缺陷作为复合中心增加了光生电子和空穴的复合几率，不利于催化过程中电荷的高效产生和输运，降低了光催化性能，因此这种不等价掺杂不利于提高SrTiO3的光催化性能。
[0006]因此，目前急需一种新的能够将吸收边明显红移至可见光区以显著吸收太阳光的能力且带隙宽度小的钙钛矿材料。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种能够将吸收边明显红移至可见光区以显著吸收太阳光的能力且带隙宽度小的钙钛矿材料。本专利技术的另一目的是提供本专利技术的钙钛矿材料的制备方法。
[0008]本专利技术的上述目的是通过如下技术方案实现的。
[0009]第一方面，本专利技术提供一种钙钛矿材料，其中，所述钙钛矿材料的化学式为SrHg3Ti4O
12
。
[0010]优选地，在本专利技术所述的钙钛矿材料中，使用Cu靶Kα衍射，其以2θ角度表示的X射线粉末衍射图谱在16.25
°
、23.06
°
、28.33
°
、32.83
°
、36.84
°
和40.50
°
处具有衍射峰，2θ角度测量误差为
±
0.01
°
。
[0011]优选地，在本专利技术所述的钙钛矿材料中，使用Cu靶Kα衍射，其以2θ角度表示的X射线粉末衍射图谱在43.90
°
、47.11
°
、58.60
°
、68.82
°
、73.65
°
、78.37
°
和96.76
°
处具有衍射峰，2θ角度测量误差为
±
0.01
°
。
[0012]优选地，在本专利技术所述的钙钛矿材料中，所述钙钛矿材料为立方晶系，空间群为Im
‑
3(NO.204)，晶格常数晶胞中各原子坐标为Sr(0,0,0)、Hg(0,0.5,0.5)、Ti(0.25,0.25,0.25)、O(0,0.7942,0.2753)。
[0013]优选地，在本专利技术所述的钙钛矿材料中，所述钙钛矿材料的吸收边波长为500nm，所述钙钛矿材料的带隙宽度为2.17eV。
[0014]第二方面，本专利技术提供一种制备本专利技术的钙钛矿材料的方法，其包括如下步骤：
[0015](1)将SrO、HgO和TiO2以1:3:4的摩尔比例充分研磨；
[0016](2)将步骤(1)得到的粉末进行烧结，得到有序钙钛矿材料。
[0017]本专利技术利用高温高压条件，在SrTiO3的Sr
2+
位掺入75％的Hg
2+
，通过等价元素掺杂，成功制备出一种新的A位有序钙钛矿材料SrHg3Ti4O
12
。与SrTiO3相比，本专利技术的钙钛矿材料SrHg3Ti4O
12
的带隙大大减小，吸收边明显红移至可见光区，紫外
‑
可见吸收光谱表明其带隙仅为2.17eV。
[0018]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(2)中的烧结所使用的温度为500
‑
1400℃。
[0019]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(2)中的烧结所使用的压力为2
‑
10GPa。
[0020]优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(2)中的烧结进行0.1
‑
6小时。
[0021]第三方面，本专利技术提供本专利技术的钙钛矿材料或本专利技术的方法制得的钙钛矿材料在光催化中的应用。
[0022]本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术的钙钛矿材料SrHg3Ti4O
12
是一种A位有序钙钛矿材料，属于窄带隙半导体，并且其带隙为2.17eV。本专利技术的钙钛矿材料的吸收边红移至可见光区域，可以吸收波长小于500nm的太阳光，因此其吸收太阳光的能力显著提升。故，本专利技术的钙钛矿材料在光催化方面具有应用潜能。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿材料，其中，所述钙钛矿材料的化学式为SrHg3Ti4O
12
。2.根据权利要求1所述的钙钛矿材料，其中，使用Cu靶Kα衍射，其以2θ角度表示的X射线粉末衍射图谱在16.25
°
、23.06
°
、28.33
°
、32.83
°
、36.84
°
和40.50
°
处具有衍射峰，2θ角度测量误差为
±
0.01
°
。3.根据权利要求2所述的钙钛矿材料，其中，使用Cu靶Kα衍射，其以2θ角度表示的X射线粉末衍射图谱在43.90
°
、47.11
°
、58.60
°
、68.82
°
、73.65
°
、78.37
°
和96.76
°
处具有衍射峰，2θ角度测量误差为
±
0.01
°
。4.根据权利要求1所述的钙钛矿材料，其中，所述钙钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳常青，赵建发，李文敏，张俊，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：