鈣鈦礦大家族

如果你去關(guān)注一下近幾年材料科學(xué)的研究進(jìn)展，你就會(huì )發(fā)現一種趨勢：有大量的研究人員把研究熱情投入到了鈣鈦礦身上。鈣鈦礦可以制成太陽(yáng)能電池，還可以制成發(fā)光二極管、催化劑，甚至可以制成未來(lái)量子計算機的元件。那么，什么是鈣鈦礦呢？下面，我們就解釋一下和列舉一些鈣鈦礦主要的應用前景。

鈣鈦礦是個(gè)大家族

從某種程度上來(lái)說(shuō)，鈣鈦礦之所以在多個(gè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景，是因為它是一個(gè)大家族。鈣鈦礦是具有ABX3結構的晶體材料的總稱(chēng)，其中A是較大的陽(yáng)離子，B是較小的陽(yáng)離子，X是陰離子，每個(gè)A離子被B和X離子一起構成的八面體所包圍。之前所發(fā)現的第一種鈣鈦礦，是天然礦物鈦酸鈣（CaTiO₃）。研究人員把所有具有ABX₃結構的晶體材料都稱(chēng)為鈣鈦礦。比如BiFeO₃、CsPbI₃等。元素周期表中90%的金屬元素都可以成為鈣鈦礦的A或B離子。研究人員就制造出了大量的有著(zhù)相同結構但元素組成不同的晶體。

制成催化劑

把鈣鈦礦氧化物制成催化劑，就是在鈣鈦礦結構中加入少量具有高度催化活性的金屬。例如，可以用釕代替鈣鈦礦氧化物中約5%的B陽(yáng)離子，測試顯示，與其他釕化合物催化劑相比，這樣的鈣鈦礦氧化物可以在只使用少量釕金屬的情況下，提供同等催化效果。研究人員制成各種高效的催化劑，一些可以把汽車(chē)尾氣中一氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物等有毒氣體迅速氧化，來(lái)起到過(guò)濾作用；一些可將二氧化碳還原為有用的碳氫化合物，并減少這種溫室氣體的排放；還有一些催化劑可以在電解水的反應中發(fā)揮催化作用。

可把光電互為轉換

20世紀70年代末，人們就研制出了有機鹵化鉛鈣鈦礦，其中甲基銨（CH₃NH₃⁺）或甲脒氫（CH(NH₂)₂⁺）離子形成了鈣鈦礦結構中的A陽(yáng)離子，鉛為B陽(yáng)離子，氯、溴或碘陰離子則為X陰離子。在最近20幾年，研究人員就發(fā)現有機鹵化鉛鈣鈦礦具有光伏特性，可以把光能轉換為電能。這種鈣鈦礦制造成本低，光電轉化效率高等優(yōu)勢（當前其轉換效率已提高到約21%）。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已成為近幾年熱門(mén)的研究課題。

此外，有機鹵化鉛鈣鈦礦還可以把電能轉換為光能，也可以用來(lái)制成照明或顯示器中所使用的發(fā)光二極管，甚至可以制成激光器。

前面提到鈣鈦礦可以把光能轉換為電能，即鈣鈦礦可以吸收可見(jiàn)光，科學(xué)家還發(fā)現，鈣鈦礦不僅能吸收可見(jiàn)光，一些鈣鈦礦也能吸收伽馬射線(xiàn)。

      成為量子計算機的元件

如果使有機鹵化鉛鈣鈦礦足夠小，小到成為了納米晶體的話(huà)，那么它就可成為一種每次發(fā)射出單個(gè)光子的發(fā)射器。這種鈣鈦礦納米晶體可以在量子通信中得到很大的應用。而鈣鈦礦制成的單光子發(fā)射器，可以為量子通信提供所使用的光子。如果研究人員能找到利用多個(gè)鈣鈦礦納米晶體產(chǎn)生大量處于糾纏狀態(tài)的光子對的辦法，那么鈣鈦礦納米晶體另一個(gè)應用則是光量子計算機。

光量子計算機的量子比特就是用光子的某些量子狀態(tài)來(lái)表示的。當前，光量子計算機的研究挑戰是找到能夠快速產(chǎn)生大量糾纏光子的材料。到目前為止研制的器件產(chǎn)生糾纏光子的速度都非常慢，但鈣鈦礦納米晶體可能會(huì )改變這種情況。

全有機鈣鈦礦

2018年，中國東南大學(xué)的研究人員創(chuàng )造了總共23種不含金屬的鈣鈦礦，其中鈣鈦礦中A和B離子全都是有機陽(yáng)離子組成的，而陰離子則是氯、溴或碘陰離子，這就是全有機鈣鈦礦。

東南大學(xué)的研究人員想用全有機鈣鈦礦制造一種更好的壓電材料。壓電材料是一種可在壓力作用下產(chǎn)生電能的材料，它們廣泛應用于聲納和超聲波成像、車(chē)輛安全氣囊傳感器和計算機部件等領(lǐng)域中。

鈣鈦礦電池

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