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氧化钨是一种带宽约为3.25eV的n型半导体物质,也是少数几种易于实现量子尺寸效应的氧化物半导体之一。目前氧化钨在化学传感器,光电器件、燃料电池等领域已经得到了广泛的应用,是纳米金属氧化物研究的新热点。但现阶段国内对纳米氧化钨材料的研究还主要集中在电致变色和气敏元件这两个优势领域,对氧化钨的光催化和光致变色特性研究较少。氧化钨光致变色性质的研究,特别是对液相溶胶体系光致变色的研究国内还鲜见报道。因此,本论文采取溶胶一凝胶法制备光致变色氧化钨,期望能为拓宽氧化钨材料的应用做出一定贡献。
实验采用溶胶一凝胶法制备氧化钨溶胶和氧化钨粉体,利用可见分光光度计对氧化钨溶胶的稳定性进行表征;利用透射电镜观察氧化钨溶胶粒子的形态;利用色差计和紫外可见分光光度计等仪器,结合色度学的相关知识,对不同工艺参数制备的氧化钨溶胶的光致变色性质进行表征。分析讨论了相关工艺参数对溶胶稳定性和光致变色性质的影响规律。利用x射线粉晶衍射仪、红外光谱仪和扫描电镜等仪器对不同工艺制备的氧化钨粉体的物相和形貌和光致变色性质进行了表征分析。主要结论如下:
1.采用Na<,2>WO<,4>为原料,以溶胶-凝胶法制备出具有光致变色性质的稳定氧化钨溶胶,确定了制备氧化钨溶胶的较佳工艺参数:初始Na<,2>WO<,4>溶液浓度为0.03mol/L体系pH值为2.0,乙醇、正丙醇和乙酰丙酮作为稳定剂加入量分别为初始Na<,2>WO<,4>溶液的10v01%、4vol%和2v01%,反应时间为4h。所制备的稳定氧化钨溶胶基本呈无色澄清状,在暗处可稳定放置90天不发生明显沉淀。
2.通过正交实验研究不同工艺参数对稳定性影响的主次关系,确定了影响氧化钨溶胶稳定性的关键因素:体系pH值。
3.在初始Na<,2>WO<,4>溶液浓度和体系pH值一定的前提下,加入稳定剂使氧化钨溶胶具有光致变色性质。稳定剂配比用量对氧化钨溶胶的光致变色效果起到了促进作用。乙酰丙酮的用量对氧化钨溶胶的变色退色效率有较明显的影响;不同pn值体系下,钨酸根离子的存在状态影响了溶胶的变色程度;初始Na<,2>WO<,4>溶液浓度对氧化钨溶胶的光致变色性质有较大影响;随着初始Na<,2>WO<,4>溶液浓度的增大,溶胶的色度值显著上升。所制备的稳定氧化钨溶胶在经紫外光照射60min后对紫外光的吸收达到饱和,色度值和吸收光谱不再发生明显变化。
4.制备的氧化钨溶胶具有良好的光致变色性质,经紫外光照射后,由无色透明状态变为蓝色状态;利用色度参数和CIExy色度图求出氧化钨溶胶变色后最大透过波长均在430-480nm范围内;变色后的氧化钨溶胶在暗处避光放置12h恢复到初始状态。
5.未经紫外光照的干溶胶粉体中氧化钨主要以非晶态形式存在,经过热处理后,粉体
中出现较明显氧化钨晶相;随着热处理温度的升高,干溶胶粉体中氧化钨晶相的衍射峰增强,伴有少量Na<,x>WO<,3>相出现。氧化钨溶胶析出的黄色沉淀物粉体中氧化钨是以WO<,3>·H<,2>O形式存在,无明显杂质;蓝色沉淀物粉体中氧化钨则以WO<,3-x>(O<x<1)存在,粉体形貌呈类球型。两种沉淀物粉体均发生明显团聚。氧化钨粉体的红外光谱分析表明,氧化钨粉体中W和O主要是以W=O和W-O-W的形式结合。 6.物相研究发现,干溶胶粉体经紫外光照射后发生了明显的变色现象,由浅褐色变为蓝色,可能是由于吸收紫外光后产生钨青铜结构的Na<,x>WO<,3>相所致。