一种溶胶凝胶法制备氧化钨纳米单晶的方法

摘要

本发明公开了一种溶胶凝胶法制备氧化钨纳米单晶的方法，是通过配制一种能形成溶胶凝胶的高分子溶液与偏钨酸铵溶液混合，在550℃-900℃范围的温度下保温一定时间，然后随炉冷却，得到黄色粉末状的WO3纳米单晶粉末。本发明制备得到的WO3纳米单晶棒平均尺寸为：长为200-500nm，直径为10-30nm，且单晶棒稳定均匀，可用于制备高质量一维WO3复合材料。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种WO₃纳米单晶棒的制备方法，特别是一种利用高分子溶液形成的溶胶凝 胶制备WO₃纳米单晶的方法，属于功能纳米材料技术领域。

二、背景技术

低维纳米结构氧化钨（WO₃）是一种非常重要的功能材料，近几年的研究表明，WO₃基 气敏材料不仅对氧化性气体而且对还原性气体也表现出很好的敏感特性，被认为是检测NOx、 H₂S、SOx和NH₃等最有前景的新型氧化物气敏材料之一。且WO₃的带隙宽为2.4-2.8eV，对太 阳光谱的吸收可以拓展至约520nm的可见光范围内，且具有稳定的物理化学性质和抗光腐蚀 能力，成为具有广阔发展前景的可见光光催化材料之一。兼有电致变色、气致变色、热致变 色和光致变色等特性，在平板显示器、灵巧窗口、传感器和催化剂等领域有广泛的应用前景。 因此，特殊结构和形貌氧化钨的制备与性质研究一直倍受人们关注。

近年来，WO₃纳米晶的制备成已成为纳米材料领域的热点之一，常用的制备WO₃纳米晶 的方法可概括为：(1)以可溶性钨酸盐为钨源，通过离子交换或水热处理制备WO₃薄膜和纳米 线等；(2)以WO₃陶瓷靶材或粉末为钨源，通过激光烧蚀、热蒸发等技术制备WO₃薄膜和纳米 线等；(3)以金属W为钨源，通过气相沉积等高温处理制备WO₃纳米线、纳米针、纳米棒和纳 米颗粒等；(4)以WCl₆，W(CO)₆，W(ⁱPr)₆和W₂(NMe₂)₆等分子前驱物为钨源，通过溶胶凝胶法 和化学气相沉积等方法制备WO₃纳米晶与纳米膜。但这些方法都过于复杂，实施条件繁琐， 适用范围较窄，不能适应现实需要。

三、发明内容

本发明旨在提供一种溶胶凝胶法制备WO₃纳米单晶的方法，所要解决的技术问题是提供 一种简易可行、安全可靠、适宜工业化大批量生产纳米尺寸级WO₃单晶的方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明溶胶凝胶法制备氧化钨纳米单晶的方法，按以下步骤操作：

1）将聚乙烯醇（PVA）或聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于蒸馏水中得到质量浓度10-20%的 高分子溶液；

聚乙烯醇的聚合度为1700-1850；聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为1200000-1400000。

2）按1g：1mL的质量体积比将偏钨酸铵溶于蒸馏水中得到透明的偏钨酸铵溶液；

3）将所述高分子溶液和所述偏钨酸铵溶液按10:1的体积比混合，分散均匀后静置至气泡 消失得到混合溶液；

4）将所述混合溶液倒入烧舟中，放入马弗炉中于550-900℃煅烧4-8小时，升温速率为 10℃/min，随炉自然冷却后得到黄色粉末状的WO₃纳米单晶粉末，为纳米棒状结构。

本发明制备得到的WO₃纳米单晶棒平均尺寸为：长为200-500nm，直径为10-30nm，且单 晶棒稳定均匀，可用于制备高质量一维WO₃复合材料。

本发明提供的制备方法原理简单，操作易行，成本低，实施方便可行，适宜工业化大批 量生产。

四、附图说明

图1为实施例1制备的WO₃单晶纳米棒的XRD衍射图。从图1中可以看出，在2θ为23.11°, 23.58°,24.35°,26.59°,33.25°,34.15°,41.87°,49.89°,55.89°,62.24°分别对应单斜相WO₃(PDF#72-0677)的(002),(020),(200),(120),(022),(202),(222),(400),(420)和(340)晶面，证明所 得物质确实为WO₃，且结晶度较好。

图2为煅烧前的混合溶液（a）和煅烧后得到的WO₃（b）的红外光谱图。图2（a）中在3200 cm^-1是水和PVA的O-H的伸缩振动峰，在2900cm^-1是PVA的烷基峰，在800-1800cm^-1也属于 PVA的特征峰；图2（b）是煅烧后的红外图，可看出PVA的所有特征峰都消失了，只有在774 cm^-1和820cm^-1属于WO₃的O-W-O峰，对比说明高分子PVA已经完全去除。

图3为实施例1制备的WO₃单晶纳米棒的TEM和（HR）TEM图。从图3中可以看出，所得 物质是棒状晶须，其高分辨图像的晶格条纹方向一致，证明为单晶。

图4为实施例2制备的WO₃单晶纳米棒的TEM图。从图4中可以看出，所得物质是棒状晶须， 且在800℃下得到的棒状物外观更加漂亮。

图5为实施例2制备的WO₃单晶纳米棒的（HR）TEM图。从图5中可以看出，所得物质是 棒状晶须，其高分辨图像的晶格条纹方向一致，证明为单晶。

图6为实施例2制备的WO₃单晶纳米棒的EDS图。从图6中可以看出只有氧和钨元素，进一 步说明所得物质为WO₃。

图7为WO₃单晶纳米棒的电子衍射图，其为点阵结构，进一步说明所得到的纳米棒是单晶。

五、具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详述。所有实施例均按照上述的操作步骤进行操作。

实施例1：

1、称取22.5g的PVA粉末（PVA聚合度：1788±50），加入150ml蒸馏水中，在水浴锅中 80℃下溶解搅拌4h，得到质量浓度15%的PVA溶液；称取6g偏钨酸铵粉末溶于6ml蒸馏水中至 完全溶解得到偏钨酸铵溶液，将偏钨酸铵溶液加入到60ml质量浓度15%的PVA溶液中，再加 入少量酒精改善高分子溶液粘度，在磁力搅拌器上搅拌均匀，再放于超声波中震荡，最后静 置至气泡完全消失，得到混合溶液，为澄清状的溶胶凝胶液。

2、取步骤1制得的混合溶液20ml放入烧舟中，在马弗炉中以10℃/min的升温速率升到 600℃，保温4小时后随炉冷却，得到黄色粉末状的WO₃纳米单晶粉末。

实施例2：

1、本实施例步骤1同实施例1。

2、取步骤1制得的混合溶液20ml放入烧舟中，在马弗炉中以10℃/min的升温速率升到 550℃，保温3小时后，再在800℃下高温煅烧4小时，然后随炉冷却，得到黄色粉末状的WO₃纳米单晶粉末。