五氧化二釩納米材料的制備及其性能綜述

梁芃（鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

五氧化二釩納米材料的制備及其性能綜述

梁芃
（鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

五氧化二釩獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于傳感器、致動(dòng)器、鋰離子電池、場(chǎng)效應(yīng)管以及電致變色等領(lǐng)域。氧化釩納米材料的性能與其微觀結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，本文綜合了近年來(lái)有關(guān)五氧化二釩的制備技術(shù)及相關(guān)性能研究，從實(shí)驗(yàn)方案，相關(guān)性能，結(jié)構(gòu)形貌的表征等方面進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。

五氧化二釩 納米材料 金屬氧化物

1　引言

過(guò)渡金屬氧化物V2O5為層狀結(jié)構(gòu)，且存在V+2、V+3、V+4和V+5等價(jià)態(tài)，使得V2O5廣泛應(yīng)用于催化、電致變色、電化學(xué)等領(lǐng)域，而納米結(jié)構(gòu)的V205更可用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器自旋電子器件和納米光刻模板等。V2O5具有層狀結(jié)構(gòu)層內(nèi)強(qiáng)的O-V-O-V鍵結(jié)合，每個(gè)V原子與五個(gè)O原子形成5個(gè)V-O鍵，V原子處于畸變的［VO5］四方錐的中間，O原子位于頂點(diǎn)處，［VO5］四方錐以共頂點(diǎn)和共邊的方式相互連接，形成平面結(jié)構(gòu)。其特殊的晶體和電子結(jié)構(gòu)，賦予了不同的應(yīng)用。

（1）電學(xué)性能及其應(yīng)用；扶手椅型之字型結(jié)構(gòu)的V2O5納米管最大能隙分別為2.67eV/2.95eV，且管徑縮小，能隙降低，趨于消失，對(duì)材料進(jìn)行表面涂覆貴金屬、氧化物納米粒子或者半導(dǎo)體量子點(diǎn)等處理，還可提高其靈敏度和穩(wěn)定性。V2O5的層狀結(jié)構(gòu)，非常適合于Li+的嵌入和脫出，Wu等利用碳球模板制備了Rattle-type構(gòu)型的V2O5納米結(jié)構(gòu)，在鋰離子電池方面展現(xiàn)出良好的性能。Dimitra Vernardou采用電化學(xué)沉積的方法，在氧化鋁表面進(jìn)行氧化釩電鍍，測(cè)試了不同種基底材料包括FTO和Ag/AgCl等離子復(fù)合，進(jìn)行了循環(huán)次數(shù)和電能儲(chǔ)量等測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)釩系材料在多次循環(huán)后CV曲線幾乎保持不變，同時(shí)在持久性也有良好的表現(xiàn)。如圖（1-3）所示。

（2）光學(xué)及其應(yīng)用；對(duì)V2O5納米管進(jìn)行電致變色、光學(xué)吸收、紅外和剩曼光譜、光限幅特性等方面的研究，發(fā)現(xiàn)其在2.5eV以下有一個(gè)寬吸收帶，其中心位于1.25eV處，還包含了三個(gè)單獨(dú)的特征吸收峰，分別為0.87、1.25和1.76 eV，光譜吸收閾值為0.55 eV，這是V2O5納米管的光學(xué)帶隙隨著層間距的增加，光學(xué)帶隙發(fā)生紅移，利用V2O5納米線作為刻他模板制備的AuPd納米金屬線，電阻在lOIdl量級(jí)，I-V呈現(xiàn)線性關(guān)系，而且能制備納來(lái)空隙，得到與金屬納來(lái)線相同的橫截面。對(duì)V2O5納米棒陣列進(jìn)行電致變色研究，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間延長(zhǎng)，波長(zhǎng)在700nm左右的光的透過(guò)率降低，在3 V電壓下，其響應(yīng)速率要比薄膜快很多。而對(duì)V2O5納米線的電致變色測(cè)試表明，波長(zhǎng)為415 nm光的透過(guò)率改變達(dá)到37.4%，1000次循環(huán)后仍保持良好的變色特性，且變色時(shí)間只有6s，迗到了電致變色顯示器件的要求。

（3）敏感性能應(yīng)用；V2O5獨(dú)特的層狀通道結(jié)構(gòu)，有利于氣體分子的吸附和導(dǎo)通，進(jìn)入活性位點(diǎn)，且釩價(jià)態(tài)較多，由此產(chǎn)生的電子傳導(dǎo)變化大，作為一種n型半導(dǎo)體，可以在多種氣體及可揮發(fā)性液體中發(fā)揮作用，敏感性能明顯，是很好的氣敏材料。

（4）催化劑應(yīng)用；五氧化二釩主要用作接觸法制硫酸的催化劑，也可做多種有機(jī)化合物氧化反應(yīng)的催化劑，如蒽氧化為蒽醌等。還用于制造彩色玻璃和陶瓷，同時(shí)也可以用作對(duì)污染物的降解。因?yàn)槠鋷对诤线m的范圍，可期在光催化等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

2　制備方法

2.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法用含高化學(xué)活性組分的金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽等作前驅(qū)體，將其溶于水或有機(jī)溶劑制成均質(zhì)溶液，溶質(zhì)在溶液中發(fā)生水解反應(yīng)，生成納米級(jí)的粒子并形成溶膠，溶膠又發(fā)生聚合形成凝膠，凝膠再經(jīng)干燥和熱處理，制備得到納米粒子和所需材料。以聚破酸醋多孔過(guò)濾膜為模板，采用溶膠-凝膠法就制備得到了納來(lái)級(jí)的菱形V2O5，其形狀類(lèi)似刷子上的棕。而將晶體V2O5溶于過(guò)氧化復(fù)的水溶液，也可形成凝膠，凝膠再經(jīng)干燥就得到V2O5納米粉。溶膠一凝膠過(guò)程所需的時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要幾天或幾周，最后凝膠在干燥過(guò)程中由于水或有機(jī)物的分解會(huì)逸出許多氣體，導(dǎo)致凝膠收縮，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2.2水熱與溶劑熱法

通過(guò)加熱創(chuàng)造一個(gè)高溫高壓的特殊物理化學(xué)環(huán)境，使前驅(qū)物在其中充分溶解，形成原子或分子生長(zhǎng)基元，原子或分子經(jīng)重新成核、生長(zhǎng)，最終形成具有一定結(jié)晶形態(tài)的晶粒。而溶劑熱法采用有機(jī)溶劑代替水作介質(zhì)，過(guò)程與水熱法類(lèi)似。水熱法制備V2O5納米粉體，通常以水或水和有機(jī)溶劑的混合溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，以V2O5粉體、機(jī)酸鹽或氧化祝凝膠作為前驅(qū)體，通過(guò)向體系中加入表面活性刻、控制溶液pH、水熱溫度、水熱時(shí)間等方法來(lái)制備形貌各異的V2O5納米

芃梁（1993—），男，漢族，河南洛陽(yáng)人，本科，研究方向：復(fù)合材料。