迈向绿色未来：从能源与环境可持续发展角度看待无铅压电陶瓷

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研究背景

压电陶瓷可实现机械能和电能之间的相互转换，是信息通讯、生物医疗、国防军工、消费电子等重要领域的关键材料。如自锆钛酸铅（PZT）于1955年被发现以来，优异的压电性能使其在传感器、致动器以及换能器中迅速应用，并至今依旧占据市场主导。然而， PZT 中含有的大量铅元素（约 60 wt%），在生产、使用和回收过程中会引发严重的铅污染问题。随着人们对环境可持续发展的持续关注，世界各国政府都实施了严格的法规来限制铅的使用。发展环境友好的无铅压电材料已经成为国际上功能材料领域的重要科学前沿和竞争焦点。目前，以钛酸钡（BT）、铌酸钾钠（KNN）、钛酸铋钠（BNT）等为代表的无铅压电体系展现出了优异的电学性能，在特定应用领域的服役特性甚至超过了含铅压电陶瓷。

虽然上述体系不含有毒的铅元素，但其在生产、使用、废弃等过程仍存在对人类健康与生态环境的潜在压力。以KNN陶瓷为例，铌元素是该体系占比最大的元素（质量占比约54%），其地壳中丰度较低且提取纯化过程复杂，也会造成环境压力。因此，在更为广义的范围内对无铅压电陶瓷进行全面的环境影响评价至关重要。

工作简介

清华大学材料学院联合乌镇实验室、桐乡清锋科技有限公司、中共中央党校（国家行政学院）在Ecomat发表研究论文，通过全生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA），从原材料的获取、生产、使用到废弃阶段全面对比了无铅KNN与含铅PZT陶瓷对生态与能源可持续发展的影响（图1a）。研究发现，PZT陶瓷的毒性影响主要来源于原材料氧化铅的提取与加工。相比而言，虽然KNN陶瓷的主要毒性影响来源于氧化铌，但其影响占比明显偏低，整体对生态和人类健康的影响也只有PZT的20%（图1b）。

通过对比KNN与PZT的三个关键环境影响指标（酸化因子、富营养化因子和全球变暖因子）发现，PZT 陶瓷对环境的酸化影响是KNN陶瓷的1.25倍，富营养化影响甚至是KNN陶瓷的两倍以上。资源消耗分析指出， PZT和KNN陶瓷分别通过氧化铅和氧化铌的非生物资源消耗潜力来影响资源指标，但KNN陶瓷对资源指标的影响只有PZT陶瓷的11%。从上述三方面来说，PZT陶瓷表现出更高的负面影响，对生态与能源可持续发展的压力超过KNN陶瓷的3.5倍（图1c）。这也意味着KNN陶瓷对人类健康的风险更低，更利于生态环境的可持续发展。

图1 （a）压电陶瓷从原材料获取、生产、使用到最终废弃处理的全生命周期过程；（b）单位体积PZT与KNN压电陶瓷在全生命周期中的毒性影响比较；（c）单位体积PZT与KNN压电陶瓷在全生命周期中的毒性、环境压力、资源压力以及废物排放比较

工作亮点

1、通过全生命周期评价，量化了PZT和KNN陶瓷对人类健康与生态环境可持续发展的影响。生命周期评价指出，PZT陶瓷表现出比KNN陶瓷更高的负面影响，这主要源于原材料氧化铅的提取、加工和污染物的排放。

2、相比PZT陶瓷而言，KNN陶瓷对人类健康的风险更低，环境可持续性更强。尽管如此，仍需迫切发展更加环境友好的氧化铌原材料提取方法，最大限度减少能源消耗和废物排放，从而进一步减小KNN陶瓷在生产阶段对环境产生的负面影响。

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《生态材料（英文）》（EcoMat）是由香港理工大学与Wiley共同出版的开放获取旗舰期刊，聚焦绿色能源与环境领域的先进功能材料，旨在成为国际高质量的跨学科科学研究交流平台。期刊2022年度影响因子为14.6，JCI指数1.28，5年影响因子14.7，2022年度CiteScore为15，篇均来源期刊标准影响指标为1.647。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学2区、材料科学综合3区、绿色可持续发展技术3区、物理化学2区。先后收录于DOAJ、SCIE、 ESCI等数据库。

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