贵金属修饰氧化钨纳米棒的制备及其性能研究

摘要

三氧化钨(WO3)是一种重要的功能材料，不仅在光致变色、气致变色方面有着广泛的研究，而且在气体传感器、光催化方面也有着广泛的应用前景。本论文致力于液相方法控制合成氧化钨纳米棒和单分散的贵金属金纳米晶，采用贵金属纳米晶修饰法将金纳米晶均匀修饰在氧化钨纳米棒表面，来提高材料的气敏性能和光催化性能，并深入研究了金纳米晶修饰氧化钨纳米棒的纳米结构与气敏性能、催化性能的构效关系。主要研究成果如下：
　　 1．以钨酸钠(Na2WO4.2H2O)为原料，采用离子交换－水热法制备了形貌均匀的WO3纳米棒，并进一步研究了实验条件对材料形貌的影响。发现聚乙二醇(PEG-400)的加入更有利于形成形貌均匀、高长径比的WO3纳米棒，制备的WO3纳米棒长500nm，直径50nm左右，六方晶系，形貌均匀，为合成目标产物Au纳米晶修饰WO3纳米棒提供了重要的基体材料。通过简单的柠檬酸盐还原氯金酸(HAuCl4.4H2O)法成功制备了10nm左右、颗粒尺寸均匀、分散性较好的金纳米晶。将制得的金纳米晶采用一种简单的、独特的贵金属纳米晶修饰法，均匀修饰在WO3纳米棒表面，形成复合材料AuNP@WO3NRs。采用贵金属纳米晶修饰法，将金纳米晶均匀修饰在WO3纳米棒表面，作为一种提高材料气敏性能和光催化性能的手段，在以前的文献中还未见报道。
　　 2．将AuNP@WO3NRs制成气敏元件，对其进行气敏性能测试，并研究了纳米Au修饰量及引入方法对材料气敏性能的影响，同时还进一步探讨了AuNP@WO3NRs对H2的敏感机理。实验结果表明，和未修饰的WO3纳米棒相比，经纳米Au修饰后的WO3纳米棒对H2的敏感性能大大提高，未修饰的WO3对50ppmH2的灵敏度仅为1.6，经纳米Au修饰后灵敏度提高为6.6，提高了近3倍，相对H2的爆炸极限40000ppm，检测下限较低，且经纳米Au修饰后材料对H2的选择性较好、响应－恢复快，响应时间仅需8s，恢复时间仅需10s。这说明AuNP@WO3NRs材料对于空气中H2的检爆有很大的潜在应用价值。
　　 3．将AuNP@WO3NRs作光催化剂，以罗丹明B为降解对象，进行光催化性能研究，并进一步研究了纳米金在WO3纳米棒表面的催化机理。研究结果表明，纳米金的修饰，拓展了WO3纳米棒对光的吸收范围，在可见光区有强吸收，使得罗丹明B在模拟自然光下120min的降解率达95％以上。
　　 4．以掺杂纳米Fe3O4的WO3（Fe3O4/WO3）为研究对象，研究对低浓度(＜1ppm)丙酮的敏感性能，进一步研究了掺杂量以及材料形貌对气敏性能的影响，并对敏感机理作初步探讨。研究结果表明：Fe3O4/WO3不仅可以实现对低浓度丙酮的选择性检测，而且检测下限降低，可以检测到ppb级的丙酮。这就为制造用于临床诊断和医患监测糖尿病的呼吸检测仪提供了一种新思路，拓展了传感器在医学领域的应用。