Qual é o princípio da absorção de raios infravermelhos por compostos metálicos e quais são os fatores que influenciam esse processo?
Os compostos metálicos, incluindo os compostos de terras raras, desempenham um papel crucial na absorção de infravermelho. Como líder em compostos de metais raros e terras raras,UrbanMines Tech. Co., LtdAtendemos quase 1/8 dos clientes mundiais em absorção de infravermelho. Para responder às dúvidas técnicas de nossos clientes sobre este assunto, o centro de pesquisa e desenvolvimento da nossa empresa compilou este artigo.
1. O princípio e as características da absorção de infravermelho por compostos metálicos
O princípio da absorção de infravermelho por compostos metálicos baseia-se principalmente na vibração de sua estrutura molecular e ligações químicas. A espectroscopia de infravermelho estuda a estrutura molecular medindo a transição dos níveis de energia vibracional e rotacional intramolecular. A vibração das ligações químicas em compostos metálicos leva à absorção de infravermelho, especialmente as ligações metal-orgânicas em compostos organometálicos, a vibração de muitas ligações inorgânicas e a vibração da estrutura cristalina, que aparecem em diferentes regiões do espectro infravermelho.
Desempenho de diferentes compostos metálicos em espectros infravermelhos:
(1) Material MXene: O MXene é um composto bidimensional de metal de transição-carbono/nitrogênio com componentes ricos, condutividade metálica, grande área de superfície específica e superfície ativa. Possui diferentes taxas de absorção de infravermelho nas bandas do infravermelho próximo e do infravermelho médio/distante e tem sido amplamente utilizado em camuflagem infravermelha, conversão fototérmica e outros campos nos últimos anos.
(2).Compostos de cobre: Os compostos de cobre contendo fósforo apresentam bom desempenho entre os absorvedores de infravermelho, prevenindo eficazmente o fenômeno de escurecimento causado pelos raios ultravioleta e mantendo excelentes propriedades de transmissão de luz visível e absorção de infravermelho de forma estável por um longo tempo3.
Casos de aplicação prática
(1).Camuflagem infravermelha: Os materiais MXene são amplamente utilizados na camuflagem infravermelha devido às suas excelentes propriedades de absorção infravermelha. Eles podem reduzir efetivamente as características infravermelhas do alvo e melhorar o ocultamento2.
(2).Conversão fototérmica: Os materiais MXene têm características de baixa emissão nas bandas do infravermelho médio/distante, que são adequadas para aplicações de conversão fototérmica e podem converter eficientemente a energia luminosa em energia térmica2.
(3). Materiais de janelas: Composições de resina contendo absorvedores de infravermelho são usadas em materiais de janelas para bloquear eficazmente os raios infravermelhos e melhorar a eficiência energética 3.
Esses casos de aplicação demonstram a diversidade e a praticidade dos compostos metálicos na absorção de infravermelho, especialmente seu importante papel na ciência e na indústria modernas.
2. Quais compostos metálicos podem absorver raios infravermelhos?
Os compostos metálicos que podem absorver raios infravermelhos incluem:óxido de antimônio e estanho (ATO), óxido de índio e estanho (ITO), óxido de alumínio e zinco (AZO), trióxido de tungstênio (WO3), tetróxido de ferro (Fe3O4) e titanato de estrôncio (SrTiO3).
2.1 Características de absorção no infravermelho de compostos metálicos
Óxido de antimônio e estanho (ATO): Pode bloquear a luz infravermelha próxima com um comprimento de onda superior a 1500 nm, mas não consegue bloquear a luz ultravioleta e a luz infravermelha com um comprimento de onda inferior a 1500 nm.
Óxido de índio e estanho (ITO): Semelhante ao ATO, tem o efeito de bloquear a luz infravermelha próxima.
Óxido de zinco e alumínio (AZO): Também possui a função de bloquear a luz infravermelha próxima.
Trióxido de tungstênio (WO3): Possui efeito de ressonância plasmônica de superfície localizada e mecanismo de absorção de pequenos polarons, podendo bloquear a radiação infravermelha com comprimento de onda de 780 a 2500 nm, além de ser atóxico e de baixo custo.
Fe3O4: Possui boas propriedades de absorção no infravermelho e resposta térmica, sendo frequentemente utilizado em sensores e detectores de infravermelho.
O titanato de estrôncio (SrTiO3) possui excelentes propriedades ópticas e de absorção no infravermelho, sendo adequado para sensores e detectores de infravermelho.
O fluoreto de érbio (ErF3) é um composto de terras raras capaz de absorver raios infravermelhos. Possui cristais de cor rosa, ponto de fusão de 1350 °C, ponto de ebulição de 2200 °C e densidade de 7,814 g/cm³. É utilizado principalmente em revestimentos ópticos, dopagem de fibras ópticas, cristais para laser, matéria-prima para monocristais, amplificadores de laser, aditivos catalíticos, entre outras aplicações.
2.2 Aplicação de compostos metálicos em materiais absorventes de infravermelho
Esses compostos metálicos são amplamente utilizados em materiais de absorção de infravermelho. Por exemplo, ATO, ITO e AZO são frequentemente usados em revestimentos condutores transparentes, antiestáticos, de proteção contra radiação e em eletrodos transparentes; o WO3 é amplamente utilizado em diversos materiais de isolamento térmico, absorção e reflexão de infravermelho devido ao seu excelente desempenho de blindagem no infravermelho próximo e às suas propriedades não tóxicas. Esses compostos metálicos desempenham um papel importante no campo da tecnologia de infravermelho devido às suas características únicas de absorção de infravermelho.
2.3 Quais compostos de terras raras podem absorver raios infravermelhos?
Dentre os elementos de terras raras, o hexaboreto de lantânio e o borido de lantânio em nanoescala podem absorver raios infravermelhos.Hexaboreto de lantânio (LaB6)É um material amplamente utilizado em radares, indústria aeroespacial, eletrônica, instrumentação, equipamentos médicos, eletrodomésticos, metalurgia, proteção ambiental e outras áreas. Em particular, o monocristal de hexaboreto de lantânio é um material para a fabricação de tubos de elétrons de alta potência, magnetrons, feixes de elétrons, feixes de íons e cátodos de aceleradores.
Além disso, o borido de lantânio em nanoescala também possui a propriedade de absorver raios infravermelhos. Ele é utilizado no revestimento da superfície de filmes de polietileno para bloquear os raios infravermelhos da luz solar. Embora absorva raios infravermelhos, o borido de lantânio em nanoescala não absorve muita luz visível. Esse material pode impedir a entrada de raios infravermelhos no vidro das janelas em climas quentes e pode utilizar a energia luminosa e térmica de forma mais eficaz em climas frios.
Os elementos de terras raras são amplamente utilizados em diversos campos, incluindo o militar, a energia nuclear, a alta tecnologia e os produtos de consumo diário. Por exemplo, o lantânio é usado para melhorar o desempenho tático de ligas metálicas em armas e equipamentos, o gadolínio e seus isótopos são usados como absorvedores de nêutrons na área de energia nuclear, e o cério é usado como aditivo em vidros para absorver raios ultravioleta e infravermelhos.
O cério, como aditivo para vidro, pode absorver raios ultravioleta e infravermelhos e é amplamente utilizado em vidros automotivos. Ele não só protege contra os raios ultravioleta, como também reduz a temperatura interna do carro, economizando energia com o ar-condicionado. Desde 1997, o óxido de cério é adicionado aos vidros automotivos japoneses, e seu uso em automóveis começou em 1996.
3. Propriedades e fatores que influenciam a absorção de infravermelho por compostos metálicos
3.1 As propriedades e os fatores que influenciam a absorção de infravermelho por compostos metálicos incluem principalmente os seguintes aspectos:
Faixa de taxa de absorção: A taxa de absorção de raios infravermelhos por compostos metálicos varia dependendo de fatores como tipo de metal, estado da superfície, temperatura e comprimento de onda dos raios infravermelhos. Metais comuns como alumínio, cobre e ferro geralmente apresentam uma taxa de absorção de raios infravermelhos entre 10% e 50% à temperatura ambiente. Por exemplo, a taxa de absorção de uma superfície de alumínio puro aos raios infravermelhos à temperatura ambiente é de cerca de 12%, enquanto a taxa de absorção de uma superfície de cobre rugosa pode chegar a cerca de 40%.
3.2 Propriedades e fatores que influenciam a absorção de infravermelho por compostos metálicos:
Tipos de metais: Metais diferentes possuem estruturas atômicas e arranjos eletrônicos distintos, resultando em diferentes capacidades de absorção de raios infravermelhos.
Condições da superfície: A rugosidade, a camada de óxido ou o revestimento da superfície metálica afetarão a taxa de absorção.
Temperatura: As mudanças de temperatura alteram o estado eletrônico dentro do metal, afetando assim sua absorção de raios infravermelhos.
Comprimento de onda infravermelho: Diferentes comprimentos de onda dos raios infravermelhos têm diferentes capacidades de absorção pelos metais.
Alterações sob condições específicas: Sob certas condições específicas, a taxa de absorção de raios infravermelhos pelos metais pode mudar significativamente. Por exemplo, quando uma superfície metálica é revestida com uma camada de material especial, sua capacidade de absorver raios infravermelhos pode ser aumentada. Além disso, mudanças no estado eletrônico dos metais em ambientes de alta temperatura também podem levar a um aumento na taxa de absorção.
Áreas de aplicação: As propriedades de absorção de infravermelho de compostos metálicos têm importante valor de aplicação em tecnologia infravermelha, imagens térmicas e outros campos. Por exemplo, controlando o revestimento ou a temperatura de uma superfície metálica, sua absorção de raios infravermelhos pode ser ajustada, permitindo aplicações em medição de temperatura, imagens térmicas, etc.
Métodos experimentais e contexto da pesquisa: Os pesquisadores determinaram a taxa de absorção de raios infravermelhos por metais por meio de medições experimentais e estudos profissionais. Esses dados são importantes para a compreensão das propriedades ópticas de compostos metálicos e para o desenvolvimento de aplicações relacionadas.
Em resumo, as propriedades de absorção no infravermelho de compostos metálicos são afetadas por muitos fatores e podem mudar significativamente sob diferentes condições. Essas propriedades são amplamente utilizadas em diversos campos.