無鎘無機顏料新方案：鈣鈦礦氧氮化物CaTaO?N / LaTaON?的性能與應用解析

1. 背景：無機顏料的歷史與挑戰

無機顏料是人類自古以來用于給陶瓷、玻璃、涂料和其他高溫應用材料著色的重要材料。相比有機顏料，無機顏料具有：

• 耐高溫；

• 光穩性好；

• 不易褪色和分解。

然而，傳統的無機顏料往往依賴含重金屬或過渡金屬，如鎘（Cd）及其化合物。這些顏料雖然色彩鮮艷（特別是鎘黃、鎘紅等），但鎘本身具有嚴重的毒性，可能進入環境和食物鏈，對人類健康和生態系統造成威脅。為此，許多國家已經出臺嚴格法規限制鎘顏料的使用。

2. 鈣鈦礦氧氮化物：一個環保替代方向

科學家們尋求替代鎘顏料的無毒材料，并發現在鈣鈦礦結構氧氮化物系統中，特別是CaTaO?N（氧氮化鈣鉭酸鹽） 和LaTaON?（氧氮化鈰鉭酸鹽） ，具有作為顏料的良好潛力。

2.1 什么是氧氮化鈣鈦礦？

鈣鈦礦（Perovskite）的通式通常寫作ABO?，其中A、B是不同的陽離子。當部分氧被氮取代后，形成氧氮化物（Oxynitride），如CaTaO?N、LaTaON?等。這類材料的晶體結構相對穩定，同時其帶隙可以落入可見光區域，從而呈現鮮艷的顏色。

3. CaTaO?N與LaTaON?的顏料性質優點

根據研究報道，這種鈣鈦礦氧氮化物顏料具有以下優點：

3.1 無毒性

構成這些顏料的元素（鈣 Ca、鈰 La、鉭 Ta、氧 O 和氮 N）都不是重金屬毒性元素，因此從根本上避免了鎘等重金屬對人體和環境的潛在危害。

3.2 色彩可調性

通過調整化學成分（例如Ca和La的比例、氧與氮的比值等），可以使顏料呈現：

• 明亮的黃色、

• 鮮艷的橙色；

• 深紅色。

色調范圍寬，可以滿足陶瓷、玻璃、涂料等多種應用需求。

3.3 性能接近傳統顏料

這些材料的物理化學性能表現良好，包括：

• 色彩鮮艷度；

• 遮蓋力強；

• 分散性好；

• 光穩定性和熱穩定性優異；

這些指標與傳統的鎘顏料接近甚至可媲美。

4. 氧氮化物顏料的顏色成因與機制

顏料的顏色本質上來源于材料對可見光的選擇性吸收。對于氧氮化物來說：

• 氮的引入會降低晶體帶隙；

• 氮的比重越高，帶隙能量越小；

• 更低的帶隙使材料吸收更長波長的可見光（橙/紅色區），顯示出更深的顏色。

因此，通過控制氧和氮的比例，可以“調色”，實現從黃到紅的色彩轉變。

5. 其他應用與研究趨勢（拓展）

除了作為顏料之外，CaTaO?N和LaTaON?等氧氮化物因其窄帶隙和可見光響應特性，也被研究用于光催化（如可見光分解水制氫等）。這表明這種材料體系有多功能的潛力，既可用于顏料，也可用于能源和環保領域。

結語

基于鈣鈦礦結構的氧氮化物CaTaO?N 和 LaTaON?表現出作為無毒、無鎘環保型無機顏料的巨大潛力。它們具有色彩可調性好、性能指標高、熱光穩定性優異等特點，并且能覆蓋從黃色到深紅色的色域范圍。由于不含鎘等有害重金屬，在法規日益嚴格和環保意識增強的大背景下，這類材料有望成為下一代無機顏料的重要替代品。