功能材料用摻雜氧化鎢的制備及其功能特性研究進(jìn)展的分析

功能材料用摻雜氧化鎢的制備及其功能特性研究進(jìn)展的分析然而，近幾年討論人員在討論氧化鎢的電致變色、氣致變色等性能中發(fā)覺，純氧化鎢材料存在一些弱點(diǎn)，如材料電阻大、極化電壓過高、氣體選擇性不強(qiáng)等;在討論氧化鎢的光催化性能中發(fā)覺，純氧化鎢材料同樣存在載流子復(fù)合率高、光催化效率低等缺點(diǎn)。為了改善這些性能，討論人員采納多種方法對(duì)納米氧化鎢進(jìn)展改性，其中摻雜是一種有效的方法。本文主要介紹近年來國(guó)內(nèi)外功能材料用摻雜氧化鎢材料的制備方法和應(yīng)用討論進(jìn)展，分析制備方法、摻雜元素種類對(duì)其性能的影響，并對(duì)摻雜氧化鎢材料功能特性今后的討論方向提出一些看法。

1摻雜氧化鎢材料的制備

功能材料用摻雜氧化鎢的制備方法按反響環(huán)境的不同分為固相法、液相法和氣相法等。氧化鎢是過渡族金屬氧化物，通過摻雜不同的元素、轉(zhuǎn)變摻雜量、優(yōu)化摻雜及復(fù)合工藝可對(duì)材料進(jìn)展改性，從而改善其性能。

1.1固相法

固相法主要有固相燒結(jié)法叫和機(jī)械粉碎法，摻雜氧化鎢的制備多采納固相燒結(jié)法。機(jī)械粉碎法是用粉碎機(jī)將原料直接研磨成超細(xì)粉。固相燒結(jié)法一般是指在高溫環(huán)境下通過固體與固體間的反響來合成金屬氧化物的方法。利用固相燒結(jié)法合成氧化鎢或者摻雜氧化鎢的步驟如下:首先將原料干法混合，然后通過球磨等方法粉碎混勻，最終進(jìn)展肯定時(shí)間的高溫鍛燒。Akivama等將鎢酸按經(jīng)過高溫鍛燒，合成了固體WO3粉末。杜俊公平采納固相燒結(jié)法合成了不同Ce摻雜量的WO3光催化劑，該工藝過程簡(jiǎn)潔、本錢低，但反響效率低、能耗大、產(chǎn)物粒徑不勻稱。

1.2液相法

1.2.1水熱法

水熱法通常是在密閉的反響體系(如反響釜)中，采納水為溶劑，經(jīng)加熱加壓使難溶性反響物有效溶解并進(jìn)展重結(jié)晶，從而合成產(chǎn)物(需適當(dāng)?shù)暮筇幚?的一種有效方法。2023年，Le等以WC16為鎢源、芐醇為溶劑，經(jīng)溶劑熱反響及高溫鍛燒后得到納米級(jí)固體WO3;討論結(jié)果說明，經(jīng)微波加熱方式合成的產(chǎn)物粒度較小，平均直徑為6nm，比表而積為140m2/g。桂陽(yáng)海等分別在Na2WO4溶液和Co(NO3)2溶液中參加CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)，得到鎢酸沉淀和鉆酸沉淀，再將沉淀物轉(zhuǎn)移至反響釜中水熱反響12h，得到摻CO納米WO3.通過水熱法合成的摻雜WO3粉末具有粒徑勻稱、純度較高、結(jié)晶性良好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2溶膠-凝膠法

與其他制備方法相比，溶膠-凝膠法工藝簡(jiǎn)潔，設(shè)備本錢低，反響過程可控，且便于規(guī)?；a(chǎn)薄膜材料;但由于產(chǎn)物烘干后易形成硬團(tuán)聚，同時(shí)反響時(shí)間過長(zhǎng)，該法的應(yīng)用受到了限制。該法主要分為兩步:首先利用溶質(zhì)與溶劑間的水解反響，使金屬鹽或無機(jī)鹽溶解于溶劑中，通過縮聚反響使水解產(chǎn)物重新聚攏成納米級(jí)粒子，形成溶膠;溶膠經(jīng)陳化、聚合形成凝膠;凝膠經(jīng)過枯燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞構(gòu)造的材料。討論人員依據(jù)溶膠的特性并結(jié)合不同的工藝參數(shù)，可合成各種各樣的納米級(jí)粉末、薄膜等材料.

Zayat等采納溶膠凝膠法合成摻Pt的WO3薄膜，過程如下:在Na2WO3溶液中通過離子交換得到H2WO4溶膠，再將K2(PtCI4)參加溶膠中，并參加丙酮減緩凝膠過程，隨后將玻璃基板浸入溶膠，即得具有良好的光學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度的摻Pt的WO3薄膜。

1.2.3沉淀法

沉淀法通常分為共沉淀法和化學(xué)沉淀法，共沉淀法一般用于合成小粒徑的摻雜復(fù)合氧化物。Lee等采納共沉淀法制備WO3/TiO2復(fù)合氧化物:將氨水和適當(dāng)?shù)谋矶钚詣┤芙庥赪Cl6和TiC14(質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%)的水溶液，從而生成W(OH)6的沉淀，鍛燒后得到納米粒徑的WO3/TiO2.Xia等采納化學(xué)沉淀法制備摻Cu的WO3粉末:往水合鎢酸鈉中參加去離子水，滴入鹽酸至白色沉淀物生成，馬上參加HAuCI4.4H2O，調(diào)整pH值后靜置，然后參加CTAB形成白色絮狀沉淀，超聲清洗40min，過濾并去除沉淀物表而殘留物后，將沉淀物鍛燒得到Au摻雜WO3粉末。

沉淀法制備的納米粉末的粒徑分布較勻稱，但由于所得沉淀物中往往包含較多的結(jié)晶水，在枯燥時(shí)易產(chǎn)生硬團(tuán)聚，以致粉末構(gòu)造被破壞。

1.3氣相法

1.3.1物理氣相沉積

物理氣相沉積(PVD)一般有濺射鍍膜法和蒸發(fā)鍍膜法兩種。濺射鍍膜法通常采納磁控濺射，其原理是:利用高能粒子束轟擊靶材外表，使靶材外表的原子擺脫原子間的束縛逸出;采納肯定方向肯定強(qiáng)度的磁場(chǎng)可掌握逸出的原子或二次電子，使其以輪擺線的形式規(guī)章運(yùn)動(dòng);通過將原子或二次電子束縛在靶材外表，可使輝光維持而進(jìn)展濺射。蒸發(fā)鍍膜法主要采納電子束蒸鍍，其原理是:利用高能電子束對(duì)靶材外表進(jìn)展轟擊，使材料表而產(chǎn)生極高的溫度，從而使材料由固態(tài)直接升華到氣態(tài)，并沉積到工件表而形成薄膜。

胡明等為了討論WO3薄膜的氣敏性，在未拋光的Al2O3基片上，采納直流反響磁控濺射法制備了納米級(jí)WO3薄膜。Chatchawal等以WO3和CNT的混合粉末為原料，采納電子束蒸鍍法在A12O3基板上制得NWCNT摻雜WO3薄膜。物理氣相沉積是試驗(yàn)室中較為廣泛采納的制膜方法，與其他方法相比，其合成薄膜的速度較快，薄膜純度較高，表而勻稱性較好，且可將一些高熔點(diǎn)反響物用于摻雜WO3薄膜的制備，但反響儀器本錢較高，因而不適用于規(guī)模化制備薄膜材料。

1.3.2化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積是在反響室中使氣體與原料間發(fā)生化學(xué)反響，生成物經(jīng)過成核、生長(zhǎng)，最終沉積在襯底上形成薄膜的工藝方法，可分為真空CVD、常壓CVD、低壓CVD、等離子體增加型CVD等。楊眉等以荃青石蜂窩陶瓷為基體，采納CVD技術(shù)負(fù)載TiO2載體，沉醉于V、W化合物溶液中，最終制備出V2O5WO3/TiO2催化劑。采納CVD方法制備WO3薄膜，可得到高純度的薄膜，且能完全掌握WO3的形貌，但本錢高，不適用于大規(guī)模制備。

2摻雜氧化鎢的功能特性

對(duì)于肯定的納米級(jí)基體材料，在低濃度摻雜條件下，摻雜元素一般以固溶體形式進(jìn)入基體晶格，不會(huì)轉(zhuǎn)變基體的晶格構(gòu)造。但在高濃度摻雜條件下，基體與摻雜劑可能形成復(fù)合化合物，從而轉(zhuǎn)變基體的晶格構(gòu)造，相應(yīng)地轉(zhuǎn)變材料的特性。氧化鎢材料通過合理地?fù)诫s不同的元素，可使其構(gòu)造和功能特性得到明顯改善，如調(diào)整其汲取光譜，提高其電致變色性能、氣敏性、催化性能等。

2.1電氣變色性能

2.1.1Ni摻雜氧化鎢

Ni摻雜可適當(dāng)?shù)亟档蚖O3的極化電壓，并提高WO3薄膜的穩(wěn)定性和著色性能。Ni一般以雜質(zhì)原子的形式進(jìn)入WO3晶格中，在WO3中有肯定的固溶度，形成置換固溶體，從而轉(zhuǎn)變WO3的晶格構(gòu)造及其性能。黃佳木等以磁控濺射法制備Ni摻雜WO3，討論結(jié)果說明摻雜Ni后，WO3的可見光透過率降低而著色性能提高，且在低濃度摻雜時(shí)效果更明顯，而在高濃度摻雜時(shí)效果降低;最正確Ni摻雜量在7.7%左右。

2.1.2MO摻雜氧化鎢

張旭蘋等以MoO3摻雜氧化鎢制備了納米薄膜，并對(duì)其電致變色性能進(jìn)展了測(cè)試，結(jié)果說明:與純氧化鎢納米薄膜相比，Mo摻雜氧化鎢納米薄膜具有更高的電致變色響應(yīng)速率和著色效率，且其光汲取峰的位置向高能方向移動(dòng)。

2.1.3Ti摻雜氧化鎢

Ti的原子半徑與W的原子半徑相差不大，因而當(dāng)采納Ti摻雜WO3時(shí)易發(fā)生置換反響，從而轉(zhuǎn)變WO3晶格構(gòu)造，使其晶體缺陷削減。向氧化鎢中摻雜TI，可轉(zhuǎn)變其電致變色性能，使其電響應(yīng)速度加快，循環(huán)使用壽命延長(zhǎng)。胡遠(yuǎn)榮等采納磁控濺射法制備T1摻雜氧化鎢薄膜，測(cè)試結(jié)果說明，T1摻雜納米WO3薄膜的晶化程度降低，晶粒細(xì)化，晶格構(gòu)造變疏松，從而其離子抽出和注入的通道大大增多，電響應(yīng)速度提高，且循環(huán)使用壽命提高了4倍以上，但其可見光透射率與未摻雜的相比有所降低。Karuppasamy等采納共濺射法制備了TI摻雜WO3，發(fā)覺轉(zhuǎn)變反響條件如增加氧氣室的壓力，可使WO3薄膜的能帶位置發(fā)生移動(dòng)，由3.07eV增至3.24eV，同時(shí)折射率發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)變其電致變色性能;當(dāng)氧氣室的壓強(qiáng)為0.4Pa時(shí)，薄膜的構(gòu)造、形態(tài)、光學(xué)和電致變色性能得到了最大的改善.

2.2氣敏性

2.2.1ZnS摻雜氧化鎢

由于ZnS是N型半導(dǎo)體，其化學(xué)鍵呈離子鍵向共價(jià)鍵過渡的性質(zhì)，因而具有肯定的方向性，WO3可通過摻雜適量ZnS而改善自身的氣敏性。魏少紅等通過沉淀法合成了ZnS-WO3納米粉末，討論了其對(duì)H2S氣體的靈敏度、選擇性以及響應(yīng)恢復(fù)速率;討論結(jié)果說明，適量的ZnS摻雜可提高WO3納米粉末對(duì)H2S的靈敏度，當(dāng)ZnS摻雜量為1.0%時(shí)，此性能與純WO3相比得到最大的提升。

2.2.2貴金屬摻雜氧化鎢

N02、丙酮?dú)怏w是化工場(chǎng)所空氣污染的主要來源，因此這些氣體的檢測(cè)日益受到重視，而過渡族金屬氧化物，由于其在氣體敏感性方而的優(yōu)異性能，己勝利應(yīng)用于氣體的檢測(cè)。為了使WO3具有更好的氣敏性，討論人員通過摻雜等方法對(duì)其進(jìn)展改性討論。曾慶豐等以WO3粉末為原料并參加肯定量的Pt，采納固相燒結(jié)法制得旁熱式氣體敏感元件;添加不同含量的Pt優(yōu)化了材料的氣敏性，測(cè)試結(jié)果說明，將0.5%的Pt粉摻入氧化鎢，所得氣敏元件的靈敏度增加近8倍，響應(yīng)時(shí)間削減約60%，相應(yīng)的恢復(fù)時(shí)間則縮短近88%。Hiroharu等采納直流濺射法在WO3中分別摻雜Pt、Pa及Au制備氣體傳感器.

2.3光催化性能

2.3.1摻雜氧化鎢

為提高氧化鎢的光化學(xué)穩(wěn)定性，劉華俊等通過共沉淀法向WO3中摻雜Tb+3，增加了氧化鎢的結(jié)晶度，使其表而生成少量的Tb6WO12，對(duì)可見光的汲取增加，從而提高了WO3對(duì)可見光的利用率以及對(duì)羅丹明B的降解率;此外WO3抗光腐蝕力量增加，為其光催化降解有機(jī)物、治理環(huán)境污染供應(yīng)了可能。Chang等以氯化缽和氯化鎢為前驅(qū)體，通過水熱法制備了Ce摻雜WO3納米材料，并將其用于染料甲基橙的可見光催化降解;討論結(jié)果說明，隨著W與Ce的質(zhì)量比降低，所得產(chǎn)物形貌由一維納米線漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)聚狀顆粒，當(dāng)W與Ce的質(zhì)量比為15：1時(shí)，所得復(fù)合材料對(duì)水體中的甲基橙有著最高的光催化降解效率。Shibin等以氯化鎢和氯化鉆為原料，由水熱法獲得了不同形貌的Co摻雜氧化鎢，證明了Co摻雜對(duì)產(chǎn)物形貌有著明顯的掌握作用，且Co摻雜WO3與純WO3相比有著更高的光催化活性。

2.3.2摻雜氧化鎢

純氧化鎢金屬性較弱，故其光催化性能極不穩(wěn)定。為了提高氧化鎢光催化性能的穩(wěn)定性，通?？蓪?shí)行細(xì)化晶粒、提高比外表積以及摻雜等手段對(duì)其進(jìn)展改性。李慧泉等利用浸漬法制備催化劑，隨后對(duì)其進(jìn)展了光催化測(cè)試，結(jié)果說明光催化劑的紫外光及可見光催化活性均隨含量的增加先上升后降低，催化劑具有明顯更高的紫外光和可見光催化活性以及輕基自由基形成速率;摻雜同時(shí)提升了氧化鎢光催化性能的穩(wěn)定性。

Xu等通過混合鍛燒的方法獲得了摻雜氧化鎢材料，并將其應(yīng)用于染料X3B的光催化降解;不同的鍛燒溫度以及不同的Fe2O3摻雜量對(duì)氧化鎢的光催化活性均有較大的影響，其中Fe2O3含量為1%、經(jīng)400度鍛燒得到的復(fù)合材料的催化活性最高，電子順磁共振檢測(cè)結(jié)果說明，該復(fù)合材料受光激發(fā)后產(chǎn)生的輕基自由基數(shù)量顯著上升，由此可推斷氧化鐵與氧化鎢之間存在電荷遷移，二者耦合促進(jìn)了光生載流子的分別，從而使材料的光催化活性提高。

3結(jié)語

氧化鎢作為一種寬帶系的N型過渡族