CN114229899A - 一种棒状氧化钨及其等离子体辅助生长制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种棒状氧化钨及其等离子体辅助生长制备方法，该方法包括：一、将钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；二、继续向真空装置中通入氧气至气压稳定，然后对纳米结构钨丝加热并保温得到棒状W18O49。本发明采用等离子体辅助生长的方法将钨箔转化为纳米结构钨丝，结合通过少量氧气加热转变为具有氧缺陷的氧化钨，获得棒状W18O49，过程中仅涉及氦气和氧气，不涉及现有技术中常用的强酸、聚乙二醇、有机酸等辅料，对环境友好无二次污染，且过程短，质量可控，过程安全性高，易于工业化生产；该棒状氧化钨中具有大量的氧空位且生长方向单一，有利于后期的高效利用。

Description

一种棒状氧化钨及其等离子体辅助生长制备方法
技术领域
本发明属于纳米金属氧化物材料制备技术领域，具体涉及一种棒状氧化钨及其等离子体辅助生长制备方法。
背景技术
氧化钨已经广泛地应用于电致变色、超级电容器、光催化、气体传感等领域。如氧化钨在低pH值下具有高化学稳定性以及优异的电导率，氧化钨有合适的半导体禁带宽度，它能吸收约12%的太阳光谱，通过引入氧空位还能吸收更多的太阳能，氧化钨的电子传输速率比氧化钛更快可作为优异的电极材料，电致变色器件和超级电容器的应用主要也是归因于它良好的电荷储存/输送性能；含有氧缺陷的氧化钨在近红外光区具有强烈的吸收和良好的光热转换效应，也是一种用于光热疗法的新兴材料。
目前报道的纳米级氧化钨绝大部分为溶剂热法制备而成，制备过程长，工艺复杂，需要各种酸、醇等有机溶剂在液相中进行化学反应，且制备的氧化钨质量稳定性难以控制，最重要的是该制备方法对环境不友好，有二次污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法。该方法采用等离子体辅助生长将钨箔转化为纳米结构钨丝，结合通过少量氧气加热转变为具有氧缺陷的氧化钨，生成获得棒状W18O49，过程中仅涉及氦气和氧气，不涉及现有技术中常用的强酸、聚乙二醇、有机酸等辅料，对环境友好，无二次污染。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；
步骤二、继续向步骤一中的真空装置中通入氧气至气压稳定，然后对得到的纳米结构钨丝进行加热并保温，得到棒状W18O49。
本发明首先采用氦等离子体对钨材料进行处理，得到纳米结构钨丝，然后对该纳米结构钨丝进行加热，且加热过程中通过引入少量的氧气，将纳米结构钨丝转变为具有氧缺陷的氧化钨，生成获得棒状W18O49。本发明以钨箔通常为商业钨箔为原料，制备过程中采用的辅料仅涉及氦气和氧气，不涉及现有技术中常用的强酸、聚乙二醇、有机酸等辅料，不会对环境产生二次污染。
上述的一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，步骤一中所述采用氦等离子体对钨箔的辐照处理剂量不小于5×1024ions/m2。通过控制氦等离子体对钨箔的辐照处理剂量，控制纳米结构钨丝的生成量。
上述的一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，所述氦等离子体的流强为1.4×1022ions/m2·s，辐照处理时间为6min以上。在上述氦等离子体的流强条件下，辐照处理时间越长，辐照处理剂量越高，获得的纳米结构钨丝的生成量越多。
上述的一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，步骤二中所述通入氧气至气压稳定为1.5×10-2Pa~7.5×10-2Pa，所述加热的温度为620℃~750℃，保温时间不小于10min。通过控制氧气的通入量及加热保温的温度和时间，有效控制了棒状W18O49的生成量及氧空位的数量，进而控制了棒状W18O49的性能。
另外，本发明还公开了一种棒状氧化钨，其特征在于，由权利要求1~4中任一权利要求所述的方法制备得到。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用等离子体辅助生长的方法将钨箔转化为纳米结构钨丝，结合通过少量氧气加热转变为具有氧缺陷的氧化钨，生成获得棒状W18O49，过程中仅涉及氦气和氧气，不涉及现有技术中常用的强酸、聚乙二醇、有机酸等辅料，对环境友好，无二次污染。
2、本发明的制备过程在真空装置中进行，无需高压反应装置，且过程短，质量可控，过程安全性高。
3、本发明采用的原料钨箔以及辅料氦气和氧气的成本相对较低，有利于工业化批量生产。
4、本发明制备的棒状W18O49中具有大量的氧空位，且其中纳米棒的生长方向单一为(010)方向，有利于后期的高效利用。
5、本发明的制备工艺简单，流程短，且制备效率高。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备工艺流程图。
图2为本发明实施例1制备的纳米结构钨丝的SEM图。
图3为本发明实施例1制备的棒状W18O49的SEM图。
图4为本发明实施例2制备的棒状W18O49的SEM图。
图5为本发明实施例3制备的棒状W18O49的SEM图。
图6为本发明实施例4制备的棒状W18O49的SEM图。
图7为本发明实施例5制备的棒状W18O49的SEM图。
图8为本发明实施例5制备的棒状W18O49的TEM图。
图9为本发明实施例5中钨箔、氦等离子体辐照处理后的钨箔和加热保温后的钨箔的XRD图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、将商业钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；所述氦等离子体的流强为1.4×1022ions/m2·s，辐照处理时间为6min，辐照处理剂量为5×1024ions/m2；
步骤二、继续向步骤一中的真空装置中通入氧气至气压稳定为1.5×10-2Pa，然后对得到的纳米结构钨丝进行加热至620℃并保温10min，得到棒状W18O49。
图2为本实施例制备的纳米结构钨丝的SEM图，从图2可知，钨箔经氦等离子体辐照处理后形成大量的纳米状钨丝。
图3为本实施例制备的棒状W18O49的SEM图，从图3可知，该棒状W18O49中产生了纳米级棒状氧化钨。
实施例2
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、将商业钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；所述氦等离子体的流强为1.4×1022ions/m2·s，辐照处理时间为60min，辐照处理剂量为5×1025ions/m2；
步骤二、继续向步骤一中的真空装置中通入氧气至气压稳定为1.5×10-2Pa，然后对得到的纳米结构钨丝进行加热至700℃并保温20min，得到棒状W18O49。
图4为本实施例制备的棒状W18O49的SEM图，从图4可知，该棒状W18O49中纳米级棒状氧化钨的数量和长度均明显提高。
实施例3
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、将商业钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；所述氦等离子体的流强为1.4×1022ions/m2·s，辐照处理时间为120min，辐照处理剂量为1×1026ions/m2；
步骤二、继续向步骤一中的真空装置中通入氧气至气压稳定为1.5×10-2Pa，然后对得到的纳米结构钨丝进行加热至750℃并保温30min，得到棒状W18O49。
图5为本实施例制备的棒状W18O49的SEM图，从图5可知，该棒状W18O49中纳米级棒状氧化钨的直径和长度均明显增加，且纳米状钨丝显著减少，大量转变为氧化钨。
实施例4
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、将商业钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；所述氦等离子体的流强为1.4×1022ions/m2·s，辐照处理时间为60min，辐照处理剂量为5×1025ions/m2；
步骤二、继续向步骤一中的真空装置中通入氧气至气压稳定为3.7×10-2Pa，然后对得到的纳米结构钨丝进行加热至620℃并保温30min，得到棒状W18O49。
图6为本实施例制备的棒状W18O49的SEM图，从图6可知，该棒状W18O49中产生了大量的纳米级粗细和长度的氧化钨。
实施例5
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、将商业钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；所述氦等离子体的流强为1.4×1022ions/m2·s，辐照处理时间为120min，辐照处理剂量为1×1026ions/m2；
步骤二、继续向步骤一中的真空装置中通入氧气至气压稳定为7.5×10-2Pa，然后对得到的纳米结构钨丝进行加热至620℃并保温30min，得到棒状W18O49。
图7为本实施例制备的棒状W18O49的SEM图，从图7可知，该棒状W18O49中纳米结构钨丝全部消失并转化为纳米级棒状氧化钨。
图8为本实施例制备的棒状W18O49的TEM图，从图8可知，该棒状W18O49中纳米棒的生长均沿着特定的方向进行。
图9为本实施例中钨箔、氦等离子体辐照处理后的钨箔和加热保温后的钨箔的XRD图，从图9可知，其中钨箔的XRD图中只有钨的四个特征峰，经氦等离子体辐照处理后的钨箔表面产生纳米结构钨丝，表现为仍然保持钨的四个特征峰，加热保温后的钨箔中生成的氧化钨为W18O49，且沿着(010)特定方向生长。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钨箔清洗后放置于真空装置中，然后采用氦等离子体进行辐照处理，得到纳米结构钨丝；
步骤二、继续向步骤一中的真空装置中通入氧气至气压稳定，然后对得到的纳米结构钨丝进行加热并保温，得到棒状W18O49。
2.根据权利要求1所述的一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，步骤一中所述采用氦等离子体对钨箔的辐照处理剂量不小于5×1024ions/m2。
3.根据权利要求2所述的一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，所述氦等离子体的流强为1.4×1022ions/m2·s，辐照处理时间为6min以上。
4.根据权利要求1所述的一种棒状氧化钨的等离子体辅助生长制备方法，其特征在于，步骤二中所述通入氧气至气压稳定为1.5×10-2Pa~7.5×10-2Pa，所述加热的温度为620℃~750℃，保温时间不小于10min。
5.一种棒状氧化钨，其特征在于，由权利要求1~4中任一权利要求所述的方法制备得到。
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