稀土掺杂Bi2－x Gd x MoO6的合成及近红外反射性能

doi:10.7503/cjcu20250088

摘要/Abstract

摘要：

面对全球气候变化与城市热岛效应日益加剧的挑战，开发兼具高近红外反射性能与热调控能力的节能功能材料已成为研究热点. 传统氧化物材料如Bi₂MoO₆在近红外波段的反射性能仍存在一定局限. 近年来，稀土改性钼酸盐材料因其优异的光学响应特性及结构稳定性，在近红外反射材料领域得以广泛关注. 本文采用固相合成法制备了Gd³⁺掺杂的近红外反射材料Bi_2－_x Gd _x MoO₆(x=0， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8， 1.0)；利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、近红外(NIR)反射测试、热重-差热分析(TG-DSC)及隔热性能实验对样品进行了表征. 结果表明，合成的样品具有良好的结晶度. Gd³⁺掺杂引起带隙收缩(2.87 eV至2.80 eV)，导致吸收边红移，增强了样品对450~600 nm蓝绿光的吸收，使其呈现更明显的黄色调，从而实现了色彩调控. Bi_2－_x Gd _x MoO₆系列样品皆表现出较高的近红外反射率，均高于87.68%，显著高于TiO₂(75.66%). 尤其是x=0.4时，样品的近红外反射率达到90.11%，近红外太阳反射率为89.53%，分别比TiO₂高出14.45%和9.24%. 红外线灯照射实验进一步验证了其优异的节能隔热性能. TG-DSC分析表明， Bi_2－_x Gd _x MoO₆材料具有优异的热稳定性，可在高温环境下长期使用，为高效隔热材料提供了新的选择.

关键词: 稀土, Bi₂MoO₆, 近红外反射性能, Gd³⁺

Abstract:

In response to the escalating challenges of global climate change and urban heat island effects， the development of energy-efficient functional materials with high near-infrared（NIR） reflectance and effective thermal regulation capabilities has become a research focus. Traditional oxide materials， such as Bi₂MoO₆， still exhibit certain limitations in NIR reflectance. In recent years， rare-earth-modified molybdate materials have attracted significant attention in the field of NIR-reflective coatings due to their excellent optical response characteristics and structural stability. In this study， Gd³⁺-doped Bi_2－_x Gd _x MoO₆（x=0， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8， 1.0） NIR reflective materials were synthesized via a solid-state reaction method. The obtained samples were systematically characterized by X-ray diffraction（XRD）， scanning electron microscopy（SEM）， energy-dispersive spectroscopy（EDS）， Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）， Raman spectroscopy， near-infrared（NIR） reflectance spectroscopy， thermogravimetric-differential scanning calorimetry（TG-DSC） and thermal insulation performance tests. The results indicated that the synthesized samples exhibited good crystallinity. Gd³⁺ doping induced a bandgap narrowing （from 2.87 eV to 2.80 eV）， leading to a redshift of the absorption edge and enhanced absorption in the 450—600 nm blue-green region， resulting in a more pronounced yellow hue and enabling effective color modulation. All Bi_2－_x Gd _x MoO₆ samples exhibited high NIR reflectance， with values exceeding 87.68%， significantly higher than that of TiO₂（75.66%）. In particular， the sample with x=0.4 demonstrated the highest NIR reflectance of 90.11% and a NIR solar reflectance of 89.53%， which are 14.45% and 9.24% higher than those of TiO₂， respectively. Infrared lamp irradiation experiments further confirmed the superior energy-saving and thermal insulation performance of the materials. TG-DSC analysis revealed that Bi_2－_x Gd _x MoO₆ pigments possess excellent thermal stability， allowing for long-term application in high-temperature environments. These findings offer a new and promising alternative for high-performance thermal insulation materials.

Key words: Rare earth, Bi₂MoO₆, Near-infrared reflectance property, Gd³⁺

中图分类号:

O614

TrendMD:

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图/表 14

Fig.1 XRD patterns(A), Raman spectra(B) and Fourier transform infrared spectra(C, D) of Bi2－x Gd x MoO6 series samples

Fig.2 SEM images of Bi2－x Gd x MoO6 series samples(A—F) and corresponding elemental mapping of Bi(H), Mo(I), Gd(K) and O(J) for the Bi1.8Gd0.2MoO6 sample(G)x: (A) 0; (B) 0.2; (C) 0.4; (D) 0.6; (E) 0.8; (F) 1.

Table 1 CIE L*a*b* parameters of Bi2－x Gd x MoO6(x=0， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8， 1.0)

Bi_2－_x MoO₆： xGd	L^*	a^*	b^*	C^*	h
x=0	95.77	-3.02	11.45	11.84	104.79
x=0.2	95.24	-2.53	14.27	14.49	100.06
x=0.4	94.34	-2.16	14.37	14.53	98.56
x=0.6	94.22	-1.56	15.40	15.48	95.77
x=0.8	94.01	-1.53	15.96	16.03	95.46
x=1.0	93.71	-1.04	17.75	17.78	93.36

Fig.3 Optical photographs of Bi2－x Gd x MoO6 series samples under natural light(A—F) and D65 illumination(A′—F′)x: (A, A′) 0; (B, B') 0.2; (C, C') 0.4; (D, D') 0.6; (E, E') 0.8; (F, F') 1.

Fig.4 Chromaticity values of Bi2－x Gd x MoO6 series samples at different doping concentrations

Fig.5 UV⁃Vis DRS of Bi2－x Gd x MoO6 series samplesInset： enlarged UV⁃Vis DRS spectra of Bi2－x Gd x MoO6 samples from 400 to 600 nm.

Fig.6 Kubelka⁃Munk transformed reflectance spectra of Bi2－x Gd x MoO6 series samplesx: (A) 0; (B) 0.2; (C) 0.4; (D) 0.6; (E) 0.8; (F) 1.0.

Fig.7 NIR reflectance spectra(A) and NIR solar reflectance spectra(B) of Bi2－x Gd x MoO6 series samplesInset of （A）： NIR reflectance spectra of the Bi2－x Gd x MoO6 series samples.

Table 2 Near-infrared reflectance and NIR solar reflectance of Bi2－x Gd x MoO6 samples

Bi_2－_x Gd _x MoO₆	R	R^*	Bi_2－_x Gd _x MoO₆	R	R^*
x=0	88.18	88.00	x=0.8	88.58	88.42
x=0.2	88.57	88.33	x=1.0	89.00	88.74
x=0.4	90.11	89.53	TiO₂	75.66	80.29
x=0.6	87.68	87.75

Fig.8 Trend graph of the near⁃infrared reflectance and near⁃infrared solar reflectance of the Bi2－x Gd x MoO6 samples

Fig.9 Temperature variations at the bottom of the enclosure(A) and aluminum plate(B) for samples coated with Bi2MoO6, Bi1.6Gd0.4MoO6 and TiO2

Table 3 Coating thickness, bottom temperature of the aluminum plate, internal temperature of the enclosure, and heat flux for Bi2－x Gd x MoO6 samples and TiO2 coatings

Bi_2－_x Gd _x MoO₆	TiO₂	x=0	x=0.4
Thickness/μm	209.6	207.8	207.3
Bottom temperature of aluminum plate/℃	39.5	38.6	38.1
Internal temperature of the enclosure/℃	28.2	27.1	26.5
Heat flux/（W·cm^-2）	52.8	52.1	51.5

Fig.10 Temperature distribution under outdoor sunlight surface of the aluminum plate(A) and interior of the box(B)

Fig.11 TG⁃DSC curve of Bi1.6Gd0.4MoO6 powder sample

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稀土掺杂Bi_2－_x Gd _x MoO₆的合成及近红外反射性能

Synthesis and Near-infrared Reflective Properties of Rare-earth-doped Bi_2－_x Gd _x MoO₆

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