CN109399710A - 钨掺杂温致变色vo2纳米材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钨掺杂温致变色VO2纳米材料,其特征在于,所述纳米材料采用包含下述组分的原料制成:五氧化二钒、醋酸和含钨元素的钨源;所述五氧化二钒与醋酸的摩尔比为1:(2‑10),所述五氧化二钒与钨元素的摩尔比为1:(0.03‑0.15)。本发明采用改进后的水热法,操作更加简便,反应更加温和,产物的粒径尺寸大小均匀,反应易于控制,VO2纳米材料的光学性能明显得到改善。
Description
技术领域
本发明涉及功能性材料及纳米材料技术领域,具体涉及一种钨(W)掺杂温致变色VO2纳米材料及其制备方法和应用。
背景技术
二氧化钒(VO2)是一种具有半导体-金属相转变特性的温致变色材料,纯的VO2的相转变温度为68℃。当温度低于相转变温度(Tc)时,VO2为半导体态的单斜晶相结构(P21/c),当温度高于Tc时,其晶相会由半导体态的单斜晶相转变为金属态四方体结构的金红石相(P42/mnm)。相变前后结构的变化导致对红外光由透射向反射的可逆转变,使得其具有良好的温致变色性能以及优异的光学性能,在智能涂层,电子设备和光学器件上具有很大的应用潜力,因此受到了国内外研究人员的广泛关注。
VO2的制备方法主要有热分解发、溶胶-凝胶法和水热法等,目前,水热法是使用最为广泛的一种方法,利用水热法制备其操作过程简单且易于控制,可明显降低反应温度(通常在100~200℃下进行),以单一反应步骤完成(不需要研磨和焙烧步骤),还可很好地控制产物的理想配比及结构形态。而且水热反应在密闭的反应釜中进行,可有效地防止有毒物质挥发后与空气中的敏感前驱体发生副反应,其制备过程无毒无害,更加环境友好,制备所得产物的纯度更高。
发明内容
本发明解决的技术问题是:由于其较高的相变温度和较弱的光学性能,VO2在很多领域的应用受到了很大限制,目前,对于VO2材料的研究主要集中在降低其相变温度和改善其光学性能等方面,尽管在一定程度上取得了很大进展,但其制备过程繁琐,制备效率低,且对于VO2相变温度的降低程度和光学性能的改善并不能完全达到实际应用的需要。
本发明的目的是:提供一种W掺杂温致变色VO2纳米材料的制备方法,解决了现有制备技术中制备过程复杂和改性效率低的问题。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是一种W掺杂温致变色VO2纳米材料的制备方法,通过改进后的水热法利用CH3COOH对V2O5进行还原以制备VO2,在水热反应过程中通过添加钨酸引入钨原子,反应结束后进行退火处理,最终得到W掺杂的温致变色VO2纳米材料。
具体来说,针对现有技术的不足,本发明提供了如下技术方案:
一种钨掺杂温致变色VO2纳米材料,其特征在于,所述纳米材料采用包含下述组分的原料制成:
五氧化二钒、醋酸和含钨元素的钨源;所述五氧化二钒与醋酸的摩尔比为1:(2-10),优选为1:(2-5),所述五氧化二钒与钨元素的摩尔比为1:(0.03-0.15),优选为1:(0.06-0.15)。
优选的,上述纳米材料中,所述钨源选自钨酸或钨酸盐。
优选的,上述纳米材料中,所述纳米材料中钨的原子百分比为1.5-7at.%,优选为3-7at.%。
优选的,上述纳米材料中,所述原料还包括无机酸,所述无机酸浓度为35~40wt%,所述盐酸与五氧化二钒的体积质量比为(6-10)ml:(1-1.5)g。
优选的,上述纳米材料中,所述无机酸选自盐酸、硫酸或硝酸。
优选的,上述纳米材料中,所述原料还包括过氧化氢,所述过氧化氢的浓度为30~35wt%,所述过氧化氢与钨源的体积重量比为(100-250ml):(1-2)g。
优选的,上述纳米材料中,所述原料还包括水,所述水于五氧化二钒的体积质量比为(80-100ml):(1-2)g。
优选的,上述纳米材料中,所述纳米材料的相变温度为-15℃~40℃,优选为-15℃~20℃。
本发明还提供上述纳米材料的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
将五氧化二钒和醋酸加入水中,混合后加入钨源,进行水热反应,得到所述纳米材料。
优选的,上述制备方法中,所述制备方法包括下述步骤:
(1)将五氧化二钒和醋酸加入水中,加入盐酸,得到混合液;
(2)将钨源加入过氧化氢溶液中;
(3)将步骤(2)所得溶液加入步骤(1)所得混合液中,混合后进行水热反应,得到所述纳米材料。
优选的,上述制备方法中,所述水热反应的温度为200-250℃,时间为4-6h。
优选的,上述制备方法中,在水热反应后还包括将所得产物进行退火的步骤,所述退火温度为400-550℃。
优选的,上述制备方法中,步骤(2)中,将钨酸加入过氧化氢溶液中后,还包括超声的步骤,所述超声的时间为15-20min。
优选的,上述制备方法中,步骤(3)中,所述混合步骤在水浴条件下进行,所述水浴温度为80-90℃,混合时间为60-80min。
优选的,上述制备方法中,所述水热反应后,还包括将所得产物进行洗涤的过程。
本发明还提供一种钨掺杂温致变色VO2纳米材料,其特征在于,由上述制备方法制得。
本发明还提供一种涂层,其特征在于,包括上述纳米材料。
本发明还提供上述纳米材料或上述涂层在电子设备、光学器件、防伪技术、节能玻璃或日用品领域的应用。
本发明的优点是:本发明整个水热过程才用去离子水提供反应场所,无毒无污染且反应效率高。本发明是一种钨掺杂温致变色VO2纳米材料的制备方法,制备方案采用改进后的水热法。改进后的水热法操作更加简便,反应更加温和,产物的粒径尺寸大小均匀,反应易于控制。用于改性的掺杂原子选择W原子,以钨酸的形式进行添加,操作简单且更加经济,W6+是目前离子掺杂降低相变温度效率最高的离子,而且W掺杂后也可明显改善VO2材料的光学性能。
附图说明
图1为实施例1所制备的温致变色VO2的SEM扫描电镜照片,放大倍数为40000倍。
图2是实施例2所制备的温致变色VO2的SEM扫描电镜照片,放大倍数为35000倍。
图3是实施例4所制备的温致变色VO2的SEM扫描电镜照片,放大倍数为5000倍。
图4是实施例1-4所制备的温致变色VO2样品的DSC检测图,其中,exo指放热方向,纵坐标指的是单位重量样品的电位差。
具体实施方式
为解决传统W掺杂温致变色VO2纳米材料制备过程复杂和改性效率低的技术问题,本发明提供一种W掺杂温致变色VO2纳米材料及其制备方法。通过改进后的水热法利用CH3COOH对V2O5进行还原以制备VO2,在水热反应过程中通过添加钨酸引入钨原子,反应结束后进行退火处理,最终得到W掺杂的温致变色VO2纳米材料。本发明对水热法进行改进,改进后的水热法操作更加简便,效率更高,产物的粒径尺寸大小均匀,反应易于控制。用于降低VO2相变温度的掺杂原子选择W原子,W6+是目前离子掺杂降低相变温度效率最高的离子,而且W掺杂后也可明显改善VO2材料的光学性能,W掺杂以钨酸的形式进行添加,操作过程简单且更加经济。
一种优选的实施方式中,本发明将V2O5和冰乙酸(C2H4O2)以摩尔比1:2~3加入到40~50ml的去离子水中(V原子的浓度为1.100~1.375×10-4~mol/ml),再加入3~5ml质量浓度为36%的HCl(HCl与去离子水的体积比为1:10~15);将0.01038~0.04249g不同质量的钨酸分别加入到4~5ml质量浓度为30%的H2O2中超声分散20~30min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在70~80℃水浴条件下搅拌30~60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在180~200℃条件下反应4~5h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2~3次并在60~70℃条件下干燥,最后再在450~550℃条件下进行退火,最终得到W掺杂温致变色VO2纳米材料。
另一种优选的实施方式中,本发明所述VO2纳米材料制备方法特征在于,将V2O5和冰乙酸以一定比例加入到去离子水中,再加入适量盐酸;将不同质量的钨酸分别加入到稍过量的H2O2中超声分散后加入到去离子水的混合液中;将混合液在水浴条件下搅拌后转移到水热反应釜中在进行反应,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗并干燥,最后再进行退火,最终得到W掺杂温致变色VO2纳米材料。
优选的,上述制备方法中,V2O5和C2H2O4的摩尔比为1:2。
优选的,上述制备方法中,制备过程中所用盐酸的量和浓度分别为3ml和36%,去离子水的用量为40ml。
优选的,上述制备方法中,制备过程中钨酸的用量分别为0.02092g、0.02804g和0.04249g,H2O2的用量和质量浓度分别为4ml和30%,超声分散时间为20min。
优选的,上述制备方法中,所述过程中混合液的水浴搅拌温度和时间分别为80℃和60min;在100ml水热反应釜中的反应温度和时间分别为200℃和4h。
优选的,上述制备方法中,水热反应结束后自然冷却,反应产物分别用去离子水和无水乙醇各离心水洗2次,干燥温度为60℃。
优选的,上述制备方法中,水热反应结束后所得的干燥后的产物进行退火的温度分别为450℃,500℃,和550℃。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明所述温致变色VO2纳米材料及其制备方法和应用。
在下面的实施例中,所用的各试剂和仪器的信息如下:
五氧化二钒:V2O5,规格:纯度≥99.0%,厂家:国药集团化学试剂有限公司。
钨酸:H2WO4,规格:含量98%,厂家:国药集团化学试剂有限公司。
反应釜:规格:100ml,厂家:西安常仪仪器设备有限公司。
场发射扫描电镜:厂家:德国蔡司(ZEISS)公司,型号:zeiss supra55。
差式扫描(DSC)量热仪:厂家:德国耐驰公司,型号:DSC 200F3
实施例1
称取0.5g V2O5和0.6g C2H4O2加入到40ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的HCl;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次(先用去离子洗涤2次,再用无水乙醇洗涤2次)并在60℃条件下干燥,最终得到未掺杂温致变色VO2纳米材料。
所得纳米材料的扫描电镜图如图1所示,未掺杂的VO2为规则的板状结构,用DSC差示扫描量热仪检测所述纳米材料的相变温度,结果如图4可示,其相变温度为67.4℃。
实施例2
称取0.5g V2O5和0.6g C2H4O2加入到40ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的HCl;将0.02092g钨酸加入到5ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在500℃条件下进行退火,最终得到原子百分比为1.5at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料,其中,所述原子百分比指的是钨原子总量占钒原子和钨原子总量的百分比。
图2为W掺杂后VO2的微观形貌,可见W掺杂对其微观结构和形貌产生了一定的影响,由图4可看出,1.5at.%的W掺杂后,VO2的相变温度降到了34.3℃。
实施例3
称取0.5g V2O5和0.6g C2H4O2加入到40ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的HCl;将0.02804g钨酸加入到5ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在500℃条件下进行退火,最终得到2.0at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料。
2.0at.%W掺杂的VO2与1.5at.%W掺杂的VO2在微观形貌上基本相似但相变温度变得更低,降到了18.6℃,如图4所示。
实施例4
称取0.5g V2O5和0.6g C2H4O2加入到40ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的HCl;将0.04249g钨酸加入到5ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在550℃条件下进行退火,最终得到3.0at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料。
图3为实施例4制备的W掺杂VO2的SEM扫描电镜照片,可以看出,随着掺杂量的增加,VO2的形状趋于薄片状,从图4可看出其相变温度有了更大幅度的降低,可降低至10.6℃。
实施例5
称取0.5g V2O5和0.8g C2H4O2加入到50ml去离子水中,再加入5ml浓度为36%的HCl;将0.08200g钨酸加入到5ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在250℃条件下反应6h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在550℃条件下进行退火,最终得到5.6at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料。
用实施例1相同的方法检测得到实施例5的相变温度为3.4℃。
实施例6
称取0.5g V2O5和0.35g C2H4O2加入到20ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的HCl;将0.06200g钨酸加入到9ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在400℃条件下进行退火,最终得到4.3at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料。
用实施例1相同的方法检测得到实施例6的相变温度为6.2℃。
实施例7
称取0.5g V2O5和1.6g C2H4O2加入到40ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的硫酸溶液;将0.1029g钨酸加入到5ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在500℃条件下进行退火,最终得到原子百分比为7.0at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料。
用实施例1相同的方法检测得到实施例7的相变温度为-12.8℃。
对比例1
称取0.5g V2O5和0.9g草酸C2H2O4加入到40ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的HCl;将0.02092g钨酸加入到5ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在500℃条件下进行退火,最终得到原子百分比为1.5at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料。
用实施例1相同的方法检测得到对比例1的相变温度为36.5℃。
对比例2
称取0.5g V2O5和0.6g C2H4O2加入到40ml去离子水中,再加入3ml浓度为36%的HCl;将0.0150g钨酸加入到5ml质量浓度为30%的H2O2中超声20min后加入到去离子水的混合液中;将混合液在80℃水浴条件下以300r/min的转速搅拌60min后转移到规格为100ml的水热反应釜中在200℃条件下反应4h,自然冷却至室温后,反应产物用去离子水和无水乙醇分别离心清洗2次并在60℃条件下干燥,最后再在500℃条件下进行退火,最终得到原子百分比为1.0at.%W掺杂温致变色VO2纳米材料。
用实施例1相同的方法检测得到对比例2的相变温度为49.8℃。
综上所述,本发明所述制备方法操作简单,反应更加温和,反应易于控制,制备得到的纳米材料相变温度明显降低,具有广阔的应用前景。
Claims (14)
1.一种钨掺杂温致变色VO2纳米材料,其特征在于,所述纳米材料采用包含下述组分的原料制成:
五氧化二钒、醋酸和含钨元素的钨源;所述五氧化二钒与醋酸的摩尔比为1:(2-10),所述五氧化二钒与钨元素的摩尔比为1:(0.03-0.15)。
2.根据权利要求1所述纳米材料,其中,所述纳米材料中钨的原子百分比为1.5-7at.%,优选为3-7at.%。
3.根据权利要求1或2所述纳米材料,其中,所述原料还包括无机酸,所述无机酸浓度为35~40wt%,所述无机酸与五氧化二钒的体积质量比为(6-10)ml:(1-1.5)g。
4.根据权利要求1-3任一项所述纳米材料,其中,所述原料还包括过氧化氢,所述过氧化氢的浓度为30~35wt%,所述过氧化氢与钨源的体积重量比为(100-250ml):(1-2)g。
5.根据权利要求1-4任一项所述纳米材料,其中,所述钨源选自钨酸或钨酸盐。
6.根据权利要求1-5任一项所述纳米材料,其中,所述纳米材料的相变温度为-15℃~40℃,优选为-15℃~20℃。
7.权利要求1所述纳米材料的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
将五氧化二钒和醋酸加入水中,混合后加入钨源,进行水热反应,得到所述纳米材料。
8.根据权利要求8所述制备方法,其中,所述制备方法包括下述步骤:
(1)将五氧化二钒和醋酸加入水中,加入盐酸,得到混合液;
(2)将钨源加入过氧化氢溶液中;
(3)将步骤(2)所得溶液加入步骤(1)所得混合液中,混合后进行水热反应,得到所述纳米材料。
9.根据权利要求7或8所述制备方法,其中,所述水热反应的温度为200-250℃。
10.根据权利要求7-9任一项所述制备方法,其中,在水热反应后还包括将所得产物进行退火的步骤,所述退火温度为400-550℃。
11.根据权利要求7-10任一项所述制备方法,其中,步骤(3)中,所述混合步骤在水浴条件下进行,所述水浴温度为80-90℃。
12.一种钨掺杂温致变色VO2纳米材料,其特征在于,由权利要求7-11任一项所述制备方法制得。
13.一种涂层,其特征在于,包括权利要求1-6或权利要求12任一项所述纳米材料。
14.权利要求1-6或权利要求12任一项所述纳米材料,或权利要求13所述涂层在电子设备、光学器件、防伪技术、节能玻璃或日用品领域的应用。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190301 |
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