CN110295342A - 一种等离子体预处理制备氧化钨纳米棒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体预处理制备氧化钨纳米棒的方法，属于工程材料制备领域。主要技术方案包括采用氢等离子体对钨衬底进行预处理和将预处理后的钨衬底在低气压含氧环境下退火两个步骤。本发明采用等离子体辅助预处理的方法，可在温度低于550℃下制备出分散均匀、纯度高、结晶程度高的氧化钨纳米棒；氧化钨纳米棒的密度和形态可以通过处理时间和氧气分压来控制，制备过程中不涉及样品的研磨过程，不会额外引入杂质，不涉及到废气或废液的回收，对环境无污染，操作简单。

Description

一种等离子体预处理制备氧化钨纳米棒的方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体预处理制备氧化钨纳米棒的方法，属于工程材料制备领域。
背景技术
氧化钨是一种新型的氧化物半导体材料之一，它具有较多的晶体结构，多变的化学配比，常见的主要有WO3、WO2、W18O49等。其中W18O49是氧化钨体系中最稳定的一种，具有单斜晶体结构。W18O49中含有大量的氧原子空位，这种晶格缺陷使W18O49具有优异的电致变色、催化等特性，因此广泛应用于气敏传感、电致变色、光催化等领域。
一维W18O49纳米棒的制备方法有很多，如液相法、气相法、电化学合成、模板合成等，采用不同的制备方法可以制备出不同形貌特征的的W18O49纳米棒。这些现有的方法大多需经过一个高温(>600℃)处理的步骤，这就增加了W18O49纳米棒量化生产的难度和能耗。开发能够在较低温度下制备形貌可控的一维W18O49纳米棒材料的方法也成为现代科学工作者关注的重点。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提出了一种等离子体预处理制备氧化钨纳米棒的方法，这种方法可以在等离子体辅助条件下制备出形貌可控的氧化钨纳米棒。
本发明的技术方案如下：一种等离子体预处理制备氧化钨纳米棒的方法，包括下述步骤：
①采用氢等离子体对钨衬底进行预处理，射频放电功率为3-10kW，放电气压为5-30Pa，预处理时间为10-60min；
②将步骤①处理后的钨衬底在氧气中进行退火处理，真空腔内退火气压为2.0×10-3-1.5×10-1Pa，在温度为380-520℃时退火5-240min，即可在钨衬底上生长出氧化钨纳米棒。
进一步的：所述氢等离子体为纯氢气、或氢气与氩气、氮气、氦气的任一种混合气体。
进一步的：所述的钨衬底为含量不低于95wt％的纯钨材料。
进一步的：预处理后的钨衬底在低于大气压的含氧环境下进行退火处理。
进一步的：退火处理采用激光器快速加热方法，所述激光器为半导体激光器，激光波长为980nm，光纤耦合连续输出，激光光斑形状为圆形光束。
进一步的：所生成的氧化钨纳米棒结构为W18O49，纳米棒的直径为10-50nm，长度为20-500nm。
本发明的有益效果为：现有的制备氧化钨纳米棒的方法均需要采用高温(600-2000℃)处理的步骤，高温处理会导致氧化钨纳米棒团聚、烧结、分散性不好。本发明采用等离子体辅助预处理的方法，可在温度低于550℃下制备出分散均匀、纯度高、结晶程度高的氧化钨纳米棒；氧化钨纳米棒的密度和形态可以通过处理时间和氧气分压来控制，制备过程中不涉及样品的研磨过程，不会额外引入杂质，不涉及到废气或废液的回收，对环境无污染，操作简单。
附图说明
图1是实施例1制备的氧化钨纳米棒的X-射线衍射光谱图；
图2是实施例2所得氧化钨纳米棒的扫描电镜图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
①将尺寸为10mm×10mm×2mm钨片抛光后，置于真空腔中，开启机械泵、分子泵抽真空至1.0×10-4Pa；
②在真空腔中通入氢气，腔体内气压为30Pa，打开射频等离子体电源开始放电，放电功率为4kW，处理时间为30min，关闭等离子体电源和氢气后的腔体内气压维持在1.0×10-4Pa；
③在真空腔内通入氧气，至腔体气压上升至3.0×10-2Pa时，打开半导体激光器，激光波长为980nm，光纤耦合连续输出，激光光斑形状为圆形光束，调整激光器输出功率，样品表面温度迅速增加至380℃，加热处理时间为2h，处理结束后关闭激光器、关闭氧气，冷却1h后，既得氧化钨纳米棒，氧化钨纳米棒结构为W18O49，纳米棒的直径为10-15nm，长度为15-20nm，X-射线衍射光谱图见图1。
实施例2
①将尺寸为10mm×10mm×0.1mm的钨箔置于真空腔中，开启机械泵、分子泵抽真空至1.0×10-4Pa；
②在真空腔中通入氢气与氩气的混合气体，腔体内气压为30Pa，打开射频等离子体电源开始放电，放电功率为6kW，处理时间为20min，关闭等离子体电源和氢气后的腔体内气压维持在1.0×10-4Pa；
③在真空腔内通入氧气，至腔体气压上升至3.0×10-2Pa时，打开激光器，调整激光器输出功率，样品表面温度迅速增加至470℃，加热处理时间为30min，处理结束后关闭激光器、关闭氧气，冷却1h后，既得氧化钨纳米棒，氧化钨纳米棒结构为W18O49，纳米棒的直径为20-30nm，长度为200-300nm，扫描电镜图见图2。
实施例3
①将尺寸为10mm×10mm×2mm钨片抛光后，置于真空腔中，开启机械泵、分子泵抽真空至1.0×10-4Pa；
②在真空腔中通入氢气与氮气的混合气体，腔体内气压为30Pa，打开射频等离子体电源开始放电，放电功率为5kW，处理时间为30min，关闭等离子体电源和氢气后的腔体内气压维持在1.0×10-4Pa；
③在真空腔内通入氧气，至腔体气压上升至3.0×10-2Pa时，打开半导体激光器，激光波长为980nm，光纤耦合连续输出，激光光斑形状为圆形光束，调整激光器输出功率，样品表面温度迅速增加至520℃，加热处理时间为30min，处理结束后关闭激光器、关闭氧气，冷却1h后，既得氧化钨纳米棒，氧化钨纳米棒结构为W18O49，纳米棒的直径为30-40nm，长度为300-500nm。
实施例4
①将尺寸为10mm×10mm×2mm钨片抛光后，置于真空腔中，开启机械泵、分子泵抽真空至1.0×10-4Pa；
②在真空腔中通入氢气与氦气的混合气体，腔体内气压为6Pa，打开射频等离子体电源开始放电，放电功率为9kW，处理时间为30min，关闭等离子体电源和氢气后的腔体内气压维持在1.0×10-4Pa；
③在真空腔内通入氧气，至腔体气压上升至1.5×10-1Pa时，打开半导体激光器，激光波长为980nm，光纤耦合连续输出，激光光斑形状为圆形光束，调整激光器输出功率，样品表面温度迅速增加至430℃，加热处理时间为20min，处理结束后关闭激光器、关闭氧气，冷却1h后，既得氧化钨纳米棒，氧化钨纳米棒结构为W18O49，纳米棒的直径为25-35nm，长度为200-300nm。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种等离子体预处理制备氧化钨纳米棒的方法，其特征在于：包括下述步骤：
①采用氢等离子体对钨衬底进行预处理，射频放电功率为3-10kW，放电气压为5-30Pa，预处理时间为10-60min；
②将步骤①处理后的钨衬底在氧气中进行退火处理，真空腔内退火气压为2.0×10-3-1.5×10-1Pa，在温度为380-520℃时退火5-240min，即可在钨衬底上生长出氧化钨纳米棒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氢等离子体为纯氢气、或氢气与氩气、氮气、氦气的任一种混合气体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的钨衬底为含量不低于95wt％的纯钨材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：预处理后的钨衬底在低于大气压的含氧环境下进行退火处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火处理采用激光器快速加热方法，所述激光器为半导体激光器，激光波长为980nm，光纤耦合连续输出，激光光斑形状为圆形光束。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所生成的氧化钨纳米棒结构为W18O49，纳米棒的直径为10-50nm，长度为20-500nm。
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