具有红外屏蔽功能的钨青铜光系列光催化材料的合成

摘要

太阳光谱中大部分的热量来源于近红外光区（780 nm-2500 nm），照明主要是可见光区（400 nm-780 nm）。红外屏蔽功能材料是一种在保持可见光高透过率的同时能屏蔽红外光的一种新型材料，在能源节约和环境保护方面具有广泛的应用，尤其是在汽车和建筑物玻璃窗的隔热保温方面需求很大。具有变价的钨氧化物和钨青铜由于其在可见光的高透过率和对整个近红外波段的屏蔽性能，被广泛应用于近红外屏蔽隔热薄膜当中。光催化是目前环境污染物净化的主要途径，采用紫外或可见光照半导体纳米材料能将空气或水溶液中的有机污染物降解，达到净化环境的目的。 将光催化性能和红外屏蔽性能结合制备多功能纳米材料，并将其用于各种玻璃薄膜表面，此薄膜在具有光催化环境净化功能的同时又具有红外屏蔽性能，在智能窗的应用上具有明显的优势，可望实现节能降耗、环境净化以及太阳能的高效利用。 本研究以简便、环保的溶剂热合成方法为主，采用较低成本的原料制备钨氧化物W18O49和碱土金属掺杂的钨青铜。研究不同原料、表面活性剂、溶剂热反应时间和反应温度对制备钨基氧化物材料结构和性能的影响，通过材料形貌的颗粒尺寸控制，有效赋予纳米材料新型功能，确立高透明性薄膜调制技术。通过XRD、SEM、XPS和BET等对所合成材料的微观结构进行表征；通过紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis DRS）对所制备薄膜的近红外屏蔽性能进行表征，并对其隔热性能进行测试。具体工作如下： 第一部分：采用氯化钨为钨源、无水乙醇为溶剂、使用四种表面活性剂，通过溶剂热法制备了W18O49纳米晶。研究溶剂种类和表面活性剂对材料的结晶度及形貌的影响。研究结果表明，当乙醇作为溶剂时，W18O49纳米晶的结晶度最好，合成样品的近红外屏蔽性能最佳，在红外光区域的透过率为 41%；表面活性剂虽然不参加反应，但其加入会对样品的形貌产生较大的影响，试验中添加表面活性剂CTAB后W18O49纳米晶具有四边形片状纳米结构，比表面积为89.15 m2g-1；在λ>400 nm光照120 min后，W18O49降解甲基橙的降解率达到28%；其薄膜在可见光的透过率可以达到77.54%，而在近红外区透过率仅为34.04%，是一种性能较好的透明隔热薄膜。 第二部分：采用水热合成法，以钨酸钠和碱金属盐为原料，制备MxWO3（M=K+，Na+，Cs+）钨青铜纳米材料。实验中考察水热反应时间、温度及前驱液浓度对钨青铜物相及性能的影响。研究发现：原料 Na/W、K/W、Cs/W 原子比分别为 6、6、8，反应温度 200℃、加热 24h 所合成的样品Na0.33WO3、K0.33WO3、Cs0.32WO3的比表面积分别为88.26 m2/g、24.24 m2/g和85.82 m2/g，可见光与近红外区域的透过率差值（Tvis-TNIR）分别为35.47%、44.97%和51.6%。其中所制备的纳米晶Cs0.32WO3为多孔颗粒，颗粒尺寸最小，孔径为 11.36 nm，其（Tvis-TNIR）最大。三种钨青铜材料的隔热性能Cs0.32WO3 > K0.33WO3 > Na0.33WO3，其中Cs0.32WO3的隔热性能最好，光照600 s下温度升高仅为空白玻璃的27.3%。通过本研究所制备的钨青铜系列纳米材料，能很好的实现近红外光屏蔽，可应用于新型智能窗，实现太阳光谱中可见光透过同时红外光屏蔽，同时利用其红外光的有效吸收可实现环境净化，达到纳米材料多功能环境应答特性，实现创新和材料增值。

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