五氧化二釩納米材料的制備及其性能綜述

【摘 要】五氧化二釩獨特的物理和化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于傳感器、致動器、鋰離子電池、場效應(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，本文綜合了近年來有關(guān)五氧化二釩的制備技術(shù)及相關(guān)性能研究，從實驗方案，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。

【關(guān)鍵詞】五氧化二釩 納米材料 金屬氧化物

1 引言

過渡金屬氧化物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，毎個V原子與五個O原子形成5個V-O鍵，V原子處于畸變的[V05]四方錐的中間，O原子位于頂點處，[VO5]四方錐以共頂點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)和電能儲量等測試，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，同時在持久性也有良好的表現(xiàn)。如圖（1-3）所示。

圖1 圖2

圖 3

（2）光學(xué)及其應(yīng)用；對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以下有一個寬吸收帶，其中心位于1.25eV處，還包含了三個單獨的特征吸收峰，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，I-V呈現(xiàn)線性關(guān)系，而且能制備納來空隙，得到與金屬納來線相同的橫截面。對V2O5納米棒陣列進(jìn)行電致變色研究，發(fā)現(xiàn)隨著時間延長，波長在700nm左右的光的透過率降低，在3 V電壓下，其響應(yīng)速率要比薄膜快很多。而對V2O5納米線的電致變色測試表明，波長為415 nm光的透過率改變達(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，且釩價態(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，同時也可以用作對污染物的降解。因為其帶隙在合適的范圍，可期在光催化等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

3 制備方法

3.1 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。以聚破酸醋多孔過濾膜為模板，采用溶膠-凝膠法就制備得到了納來級的菱形V2O5，其形狀類似刷子上的棕。而將晶體V2O5溶于過氧化復(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。溶膠一凝膠過程所需的時間較長，通常需要幾天或幾周，最后凝膠在干燥過程中由于水或有機(jī)物的分解會逸出許多氣體，導(dǎo)致凝膠收縮，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

3.2 水熱與溶劑熱法

通過加熱創(chuàng)造一個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基元，原子或分子經(jīng)重新成核、生長，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)，過程與水熱法類似。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，通過向體系中加入表面活性刻、控制溶液pH、水熱溫度、水熱時間等方法來制備形貌各異的V2O5納米材料。Fei等以偏釩酸銨和草酸為原料、二甲基亞諷和水作溶質(zhì)，將裝有混合溶液的反應(yīng)釜180℃下保溫24h，合成了由單晶納米粒子組成的玫瑰狀V2O5層狀結(jié)構(gòu)。Yu Wang等以偏釩酸銨為原料，用銷酸調(diào)節(jié)溶液pH2-2.5，并在反應(yīng)荃中置一傾斜放置的鐵箱，反應(yīng)簽再在180℃下保溫24小時，即得V2O5納米帶陣列。

3.3 氣相沉積法

氣相沉積法是一種或數(shù)種反應(yīng)氣體在加熱、激光、等離子體等作用下發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，最后經(jīng)冷卻、凝聚、長大形成納米微粒的方法。氣相沉積法可以分為物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法，物理氣相沉積法又可分為熱蒸發(fā)法、等離子體蒸發(fā)沉積、激光蒸發(fā)沉積、粒子濺射等，而制備V2O5納米材料主要采用其中的熱蒸發(fā)法。Candace K.Chan等將V2O5粉末放置于瓷坩堝中加熱到690℃（超過熔點），蒸氣由氧氣運(yùn)輸至基板位置發(fā)生沉積，得到了單晶V2O5納米帶。Yan等通過將覆蓋有Si圓片、不加催化劑的釩溶在環(huán)境條件下加熱到660℃，保溫6小時制備得到了細(xì)長的V2O5納米帶。Yan等將乙酰丙酮氧釩加熱到600℃并在氧氣流中保溫20min（系統(tǒng)壓力大約為0.1毫巴），得到了沉積在SnO2納米線上的V2O5納米纖維。

3.4 模板法

材料的多維結(jié)構(gòu)和可控化制備已成為納米科學(xué)的一個熱門研究方向，不同形貌的材料展現(xiàn)出來不同的性能，納米線納米帶以及多級結(jié)構(gòu)正被日益廣泛地研究。常用的模板主要有含有有序孔洞陣列的氧化鋁模板和含有無序分布孔洞的高分子模板，此外還有金屬模板等。Wang等電化學(xué)沉積的的聚碳酸酯多孔膜模板替換為ITO基板（ITO化物，涂有銀膏），制備得到了管長約10 um，外直徑約200 nm，內(nèi)直徑約100nm的V205納米管陣列。下圖（4-5）為Hao Bin Wu等利用碳球為模板獲得的氧化釩納米結(jié)構(gòu)。

圖4 圖5

4 結(jié)論與展望

V2O5優(yōu)異的性能和可能的應(yīng)用引起了科學(xué)家極大的興趣，目前對其研究已經(jīng)擴(kuò)展到信息能源材料健康等各領(lǐng)域。但其實驗室進(jìn)展工業(yè)化緩慢，且有眾多亟待解決的問題，高純釩的洗選和提取需要廣大化工學(xué)者盡很大的努力，而人類下一個研究熱點能源電池，釩系材料作為一種很高的電極材料，必將發(fā)揮很大的優(yōu)勢，又作為一種很好的前驅(qū)體，在其他釩酸鹽或者復(fù)合材料制備中成為明星材料。

作者簡介：梁芃（1993—），男，漢族，河南洛陽人，本科，研究方向：復(fù)合材料。