论文部分内容阅读
二氧化钒是一种广受关注的化合物，其在室温附近能够发生可逆的金属-半导体相转变，相变前后，它对光、电、磁、热等诸多物理性质具有显著的调节能力。近年来，二氧化钒材料可以应用于智能温控的节能窗上，这主要得益于它具有温控的可逆调节红外透过率的性能。然而在实际应用过程中，这种材料仍存在一些问题亟待解决，如化学稳定性、相变温度、热滞宽度、所制备薄膜的光学性能以及呈色等。针对以上问题，本论文着重研究二氧化钒及其复合纳米材料的热致相变性能、光催化性能以及湿敏性能。主要研究结果和结论如下: (1)使用硫酸氧钒为钒源，尿素为均匀沉淀剂，通过水热辅助均匀沉淀的方法制备出了粒径小于50nm的VO2(M)纳米粉体。改变钒源的起始浓度，可以显著地调控产物的最终形貌和尺寸，形貌可由颗粒状到棒状，粒子尺寸由50nm到500nm。所制备粉体的太阳光调节能力和可见光透过率均随着粒子尺寸的降低而增强。此外，通过W掺杂可以将粉体的相变温度由64.8℃降低到了21.9℃。 (2)二氧化钒纳米粉体容易团聚、结块，使得其分散性能较差，最终影响了所制备薄膜的质量。以硫酸氧钒为钒源，通过原位复合的方法在钒的前驱体溶液中先生成BaSO4，然后通过一步水热的方法制备出VO2(M)-BaSO4复合粉体。BaSO4的存在能够降低二氧化钒粉体在水热和干燥过程中的团聚。同时，BaSO4的化学稳定性高，对太阳光的透过率高达90％以上，可以改善所制得的复合薄膜的太阳能调节率和可见光透过率，尤其是复合薄膜的可见光透过率由30.4％增加到了45.7％。此外，复合BaSO4并不影响VO2本身的掺杂效应，反而可以弥补由于掺杂所引起的性能弱化。 (3)通过较低温度下一步水热方法，成功地制备出了棒状VO2(B)/SnO2异质结构，再经过退火处理可以得到VO2(M)/SnO2复合材料。均匀生长在VO2(B)表面的SnO2纳米粒子能够有效的抑制高温处理过程中VO2的团聚和断裂，保持了其原本的棒状形貌，并且使得VO2(M)/SnO2复合材料的能带宽度由0.75eV增加到了1.7eV。而且，薄膜的光学性能也得到改善，其中可见光透过率由20.9％增加到了35.7％，在2000nm波长处的红外调控能力由22.8％增加到了50.9％。同时，SnO2的存在，显著地降低了VO2(M)的热滞宽度，改善了它的相变响应特性。 (4)二氧化钒粉体的高温稳定性较差，单纯的VO2(M)粉体在温度高于290℃之后会逐渐被氧化成为有毒的V2O5，从而影响其热致变色性能。通过化学的方法在VO2(M)粒子表面呈放射状生长一层ZnO纳米棒，形成了蒲公英状形貌的VO2(M)-ZnO复合结构。复合粉体能够在400℃的温度下保持相的稳定性。ZnO的复合使得所制备薄膜的吸收边发生蓝移，由498nm降低到475nm，薄膜的太阳光调节率和可见光透过率得到了明显的提高。此外，由于异质结构的存在，能够显著地抑制光生电子和空穴的复合，使得复合粉体同时具有优异的光催化性能。 (5)使用相同的实验方法，同时制备出了棒状VO2(B)-ZnO复合结构。一方面，此种三维空间形貌的粉体具有较大的比表面积，能够提供更多的用来吸附水分子的活性点，使得其具有较好的湿敏性能。将其制备成湿敏器件，当相对湿度由11％增加到95％时，其电阻值由112MΩ降低到0.16MΩ，灵敏度高，并且响应恢复时间短，湿滞小，稳定性好。另一方面，这种材料还可以用作锂离子电池负极材料，其具有较好的电化学性能，在0.5C的倍率下，其首次充放电容量达到了778mAh/g和1634mAh/g，经过80次循环后，仍能够保持稳定高于340mAh/g的电容量。