无镉环保型无机颜料：基于钙钛矿型氧氮化物CaTaO₂N与LaTaON₂的研究

无镉无机颜料新方案：钙钛矿氧氮化物CaTaO₂N / LaTaON₂的性能与应用解析

1. 背景：无机颜料的历史与挑战

无机颜料是人类自古以来用于给陶瓷、玻璃、涂料和其他高温应用材料着色的重要材料。相比有机颜料，无机颜料具有：

• 耐高温；

• 光稳性好；

• 不易褪色和分解。

然而，传统的无机颜料往往依赖含重金属或过渡金属，如镉（Cd）及其化合物。这些颜料虽然色彩鲜艳（特别是镉黄、镉红等），但镉本身具有严重的毒性，可能进入环境和食物链，对人类健康和生态系统造成威胁。为此，许多国家已经出台严格法规限制镉颜料的使用。

2. 钙钛矿氧氮化物：一个环保替代方向

科学家们寻求替代镉颜料的无毒材料，并发现在钙钛矿结构氧氮化物系统中，特别是CaTaO₂N（氧氮化钙钽酸盐） 和LaTaON₂（氧氮化铈钽酸盐） ，具有作为颜料的良好潜力。

2.1 什么是氧氮化钙钛矿？

钙钛矿（Perovskite）的通式通常写作ABO₃，其中A、B是不同的阳离子。当部分氧被氮取代后，形成氧氮化物（Oxynitride），如CaTaO₂N、LaTaON₂等。这类材料的晶体结构相对稳定，同时其带隙可以落入可见光区域，从而呈现鲜艳的颜色。

3. CaTaO₂N与LaTaON₂的颜料性质优点

根据研究报道，这种钙钛矿氧氮化物颜料具有以下优点：

3.1 无毒性

构成这些颜料的元素（钙 Ca、铈 La、钽 Ta、氧 O 和氮 N）都不是重金属毒性元素，因此从根本上避免了镉等重金属对人体和环境的潜在危害。

3.2 色彩可调性

通过调整化学成分（例如Ca和La的比例、氧与氮的比值等），可以使颜料呈现：

• 明亮的黄色、

• 鲜艳的橙色；

• 深红色。

色调范围宽，可以满足陶瓷、玻璃、涂料等多种应用需求。

3.3 性能接近传统颜料

这些材料的物理化学性能表现良好，包括：

• 色彩鲜艳度；

• 遮盖力强；

• 分散性好；

• 光稳定性和热稳定性优异；

这些指标与传统的镉颜料接近甚至可媲美。

4. 氧氮化物颜料的颜色成因与机制

颜料的颜色本质上来源于材料对可见光的选择性吸收。对于氧氮化物来说：

• 氮的引入会降低晶体带隙；

• 氮的比重越高，带隙能量越小；

• 更低的带隙使材料吸收更长波长的可见光（橙/红色区），显示出更深的颜色。

因此，通过控制氧和氮的比例，可以“调色”，实现从黄到红的色彩转变。

5. 其他应用与研究趋势（拓展）

除了作为颜料之外，CaTaO₂N和LaTaON₂等氧氮化物因其窄带隙和可见光响应特性，也被研究用于光催化（如可见光分解水制氢等）。这表明这种材料体系有多功能的潜力，既可用于颜料，也可用于能源和环保领域。

结语

基于钙钛矿结构的氧氮化物CaTaO₂N 和 LaTaON₂表现出作为无毒、无镉环保型无机颜料的巨大潜力。它们具有色彩可调性好、性能指标高、热光稳定性优异等特点，并且能覆盖从黄色到深红色的色域范围。由于不含镉等有害重金属，在法规日益严格和环保意识增强的大背景下，这类材料有望成为下一代无机颜料的重要替代品。