氧化钨水合物微 纳米材料的可控合成及其性能研究汇总.pdf

STUDY ON CONTROLLED SYNTHESIS OF WO ·nH O 3 2 MICRO/NANOMATERIALS AND THEIR PROPERTIES A Dissertation Submitted to Shaanxi University of Science and Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Engineering Science By Jiayin Li Supervisor: Prof. Jianfeng Huang December, 20 13 氧化钨水合物微/纳米材料的可控合成与性能的研究 摘 要 作为半导体中重要的一类材料，氧化钨及其水合物被科研工作者们在 多个领域中广泛、深入的展开了应用研究。由于这类材料多变的纳米结构和 微观形态与多领域的性能息息相关，其纳米结构的调控研究一直吸引着众多 科学家的关注。目前对氧化钨水合物粉体和薄膜材料的研究现状中，其物相、 微观结构和晶体生长的控制研究仍存在很多有待深入的研究空间。这其中就 包括了对简化合成工艺，采用环保、经济的制备技术的发展的需要。因此， 发展简易、具有普适性的氧化钨水合物材料的纳米结构调控技术，是非常必 要的。本论文中采用了一种简易的水热制备工艺，在有/无模板剂和微波辅 助条件下均发展了多种纳米结构和微观形态的氧化钨水合物粉体、薄膜材料 的合成技术，并通过控制产物的结构达到了对其光催化与电化学性能的可控 制备，以下为主要创新性成果： (1)在水热体系中，利用钨粉作为反应原材料，采用了一种简单环保的 制备技术，在无模板剂条件下对氧化钨水合物粉体材料进行了物相与微观结 构的可控合成。通过对制备工艺的调整，成功获得了四方块状、雪花状、具 有棱角的微球状、齿轮状、棒状、六边形盘状以及纳米片状结构等纳米结构。 通过对该不同工艺条件下产物结构的变化进行分析，发现在这些纳米结构的 变化中，生长基元的成核、晶化和扩散过程分别在不同的实验条件对产物的 物相和形貌控制起到关键性作用。 (2)采用不同溶剂和微波辅助加热作用，对氧化钨水合物材料进行了物 相和形貌的调控。成功改变了生长基元在生长过程中的成核方式以及晶粒在 反应过程中的生长取向，得到带有圆形孔洞的六方薄片、六棱锥状、六边形 盘状、雪花状、纳米片状、海胆状以及纳米丝等不同形貌产物。分析结果发 现不同溶剂分子极性、分子结构对于制备所得氧化钨水合物材料中纳米结构 的二维取向生长(六方片状结构的厚度变化) 以及尺寸大小变化具有重要的 影响作用。对比实验结果发现微波辅助加热可能从晶面选择性加热、改变模 板剂对晶面吸附作用和降低溶液极性三个方面对产物晶粒取向生长产生了 作用，进而影响了氧化钨水合物材料的物相与微观结构的变化。 采用了不同微观形貌的氧化钨水合物材料对亚甲基蓝溶液进行了可见 光光催化降解实验。研究了不同微观结构下氧化钨水合物材料的光催化性能 I 变化，发现具有高亲核性的晶面对氧化钨水合物材料的光催化性能有促进作 用。 (3)运用一种简单的一步制备工艺，以过氧聚钨酸作为前驱物溶液，采 用溶剂热法在 ITO 基体表面一步直接合成了氧化钨水合物薄膜材料。通过 改变制备工艺条件以及利用模板剂分子对薄膜的晶体结构和微观结构进行 了可控制备，分别得到了立方相和正交相两种氧化钨水合物材料，以及无规 则纳米丝状、颗粒状、垂直交叉生长的六方片状、多层三角形片状等薄膜表 面形貌。 通过对改变制备工艺后薄膜的分析，发现对于氧化钨水合物材料在基体 表面的能否直接成核生长，溶液极性起决定性作用。反应温度、前驱液浓度 则主要影响薄膜生长过程中生长基元的晶体结构以及结晶程度的强弱。对不 同晶体结构和微观形貌的薄膜进行电化学性能测试发现薄