低温制备WO3纳米片薄膜及其润湿性能研究
低温制备WO3纳米片薄膜及其润湿性能研究
摘要 本文以Na2WO3和HCl为原料通过水热法实现低温条件下的WO3纳米片薄膜的制备。通过对比实验分析得出适宜WO3纳米片薄膜生长的环境条件。在改变盐酸加入量、生长时间和NaCl加入量的条件下研究酸浓度、生长时间以及无机盐对于WO3纳米片生长的影响，通过SEM观察所制备的WO3纳米片薄膜的微观结构和形貌。通过XRD分析了煅烧前后的WO3纳米片样品。通过测量水接触角来研究WO3纳米片薄膜的润湿性。实验中的XRD图谱表明水热法制备的产物为正交晶型的WO3?H2O。通过煅烧使WO3?H2O脱去结晶水生成WO3纳米片。加入的盐酸浓度为0.4mol/L、生长时间为12h以及NaCl的加入量为30mmol时，生长的WO3纳米片形貌以及结构更为优异。并且煅烧后的WO3纳米片具有较好的光催化性能。
关键词 WO3纳米片，水热法，润湿性、
1 引言 1
1.1 WO3纳米片薄膜的制备方法 1
1.2 WO3纳米片薄膜的的性能及其应用 3
1.3 课题目的及意义 4
2 实验内容 4
2.1 实验原理 4
2.2 实验试剂和仪器 5
2.3 实验步骤 6
3 实验结果与分析 12
3.1 酸浓度对WO3纳米片的影响 12
3.2 生长时间对WO3纳米片的影响 15
3.3 NaCl加入量对WO3纳米片的影响 17
3.4 润湿性分析 19
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 引言
纳米技术在诸多领域的应用都有着突出优势，从而引发了人们对于纳米材料的广泛关注。纳米材料又叫做纳米级结构材料，指的是粒度介于1~100nm之间的材料。相较与宏观结构，纳米微粒具有较大的比表面积，并且表面能，表面原子数以及表面张力会随着粒度的减小而迅速增加[1]。纳米级别的材料由于结构特征会产生小尺寸效应、体积效应、量子尺寸效应[2]、宏观量子隧道效应[3]等。材料的电、光、力、磁都会受这些效应的影响。因此纳米材料在传感器、催化剂以及光电材料方面都有广泛的应用前景。
随着科技的发展与进步，许多纳米材料被广泛的研究和应用。由于能源危机和环境污染问题的日益加剧，人们越来越注重绿色能源的开发以及利用，那么就必不可少的引起了许多对于纳米材料的研究热潮。由于大部分的纳米材料都具有许多光、电、磁等性能，所以应用领域广泛。WO3纳米材料作为一种典型的功能型纳米材料被广泛研究。它具有优异的电致变色性能[4]、光致变色性能[5]、气致变色性能[6]以及光催化性能等。对于WO3纳米材料的研究有利于推进科技的发展，并且在改善环境以及节约能源等方面都有一定的应用前景[7-8]。
三氧化钨是一种n型半导体材料，具有多种对称型结构，如四方、六方、单斜、正交、立方等结构。WO3的晶体是由一个钨原子和六个氧原子构成的正八面体共用顶点排列而成[9]。如图1.1所示为三氧化钨晶体结构。 图1.1 三氧化钨晶体结构
1.1 WO3纳米片薄膜的制备方法
随着纳米材料的兴起，对于纳米WO3薄膜的研究的深入，纳米WO3薄膜的制备方法也变得越来越多样。至今为止，WO3纳米薄膜的制备方法主要有：水热法[10]、蒸发法、溅射法[11]、溶胶-凝胶法[12]、电子束蒸发法、化学蒸气沉积法、阳极氧化法、电沉积法[13]、脉冲准分子激光沉积法、离子镀法[14-15]等。其中由于有些制备方法的技术较为复杂，工艺条件较为苛刻，所以应用也受到了一定的限制。目前应用较为普遍的有溶胶-凝胶法、化学气象沉积法、阳极氧化法、溅射法以及水热法。
1.1.1 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是将配置好的前驱物分散到溶剂中制成均匀的溶液，溶质与溶剂发生水解反应，水解产物经缩聚反应形成溶胶，组成溶胶的粒子为纳米级，再通过一定的工艺可以制成粉体或者薄膜。可以采用提拉、旋涂等方法将溶胶涂覆在基底上以获得薄膜[16]。目前溶胶-凝胶法制备WO3薄膜大致有: 钨酸盐酸化法、钨粉过氧化聚钨酸法、钨酸盐的离子交换法、钨的醇盐水解法、氯化钨的醇化法等几种类型[17]。
溶胶-凝胶法制备WO3薄膜的工艺简单、成本相对较低、材料可以呈现的形状多样以及可以大面积成膜等优点。在薄膜制备过程中薄膜与基板之间不能够很好的附着，溶胶稳定时间较短，寿命也相对较短[18]。
1.1.2 化学气象沉积法
化学气相沉积法是在气相中使气体化合物发生化学反应，经过成核和长大两个阶段形成固相物质并沉积形成薄膜的工艺过程。一般选择金属W或者WO3作为沉积WO3薄膜的材料[19]。由于是通过气体化合物的反应来制备薄膜，所以薄膜的组成可以受到控制，因此能够实现新的结构和组成的薄膜的制备。
化学气相沉积法可用来制备功能复杂、均匀性较好以及纯度较高的薄膜。制备的薄膜一般附着力较好，延展性也较高。不过由于气相前驱物的制备不便或者缺乏，导致了化学气相沉积法的应用受到了一定的限制。
1.1.3 阳极氧化法
阳极氧化法是将金属W作为阳极，在适当的电解质中进行电化学氧化，从而刻蚀出多孔或者管状氧化物薄膜材料的方法。
阳极氧化法具有工艺简单、成本较低、制备快等优点，适用于制备多孔性薄膜。同时也存在不易大面积成膜的缺点。
1.1.4 溅射法
溅射法是通过使用高能量的惰性气体离子轰击靶材，使靶材中的原子从固体表面溅射出来，然后沉积到基板上形成薄膜的方法，是物理气相沉积的一种[20]。溅射法包括多种，如直流溅射法、磁控溅射法、离子束溅射法、脉冲溅射法等。其中磁控溅射的应用最为广泛，它具有成膜效率高、工作气体压力低等优点。
溅射法可以用来制备多种多样的金属材料，其中包括高熔点或者低熔点金属的纳米薄膜，同时也可以用来制备多组元的纳米薄膜。所制备的薄膜粒径较为均匀。同时也存在成本较高无法大规模生产等缺点。
1.1.5 水热法
水热法又称热液法，是在密闭容器（高压釜）中，采用水作为溶剂，对密闭容器进行加热，使其产生一个高温、高压的环境，在这样的一个环境中进行反应，使那些在常温、常压状态下难以溶解或完全不溶的物质发生溶解与重结晶。溶剂在高温高压状态下的反应活性较高，物质在溶剂中的化学反应性能有很大改变,因此水热下化学反应与常温常压下的反应有所不同[21]。
水热法的反应条件易于控制，并且可以生成多种特殊形貌的产物[22]。水热法已经被用于制备多种形貌的纳米WO3薄膜。
摘要 本文以Na2WO3和HCl为原料通过水热法实现低温条件下的WO3纳米片薄膜的制备。通过对比实验分析得出适宜WO3纳米片薄膜生长的环境条件。在改变盐酸加入量、生长时间和NaCl加入量的条件下研究酸浓度、生长时间以及无机盐对于WO3纳米片生长的影响，通过SEM观察所制备的WO3纳米片薄膜的微观结构和形貌。通过XRD分析了煅烧前后的WO3纳米片样品。通过测量水接触角来研究WO3纳米片薄膜的润湿性。实验中的XRD图谱表明水热法制备的产物为正交晶型的WO3?H2O。通过煅烧使WO3?H2O脱去结晶水生成WO3纳米片。加入的盐酸浓度为0.4mol/L、生长时间为12h以及NaCl的加入量为30mmol时，生长的WO3纳米片形貌以及结构更为优异。并且煅烧后的WO3纳米片具有较好的光催化性能。
关键词 WO3纳米片，水热法，润湿性、
1 引言 1
1.1 WO3纳米片薄膜的制备方法 1
1.2 WO3纳米片薄膜的的性能及其应用 3
1.3 课题目的及意义 4
2 实验内容 4
2.1 实验原理 4
2.2 实验试剂和仪器 5
2.3 实验步骤 6
3 实验结果与分析 12
3.1 酸浓度对WO3纳米片的影响 12
3.2 生长时间对WO3纳米片的影响 15
3.3 NaCl加入量对WO3纳米片的影响 17
3.4 润湿性分析 19
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 引言
纳米技术在诸多领域的应用都有着突出优势，从而引发了人们对于纳米材料的广泛关注。纳米材料又叫做纳米级结构材料，指的是粒度介于1~100nm之间的材料。相较与宏观结构，纳米微粒具有较大的比表面积，并且表面能，表面原子数以及表面张力会随着粒度的减小而迅速增加[1]。纳米级别的材料由于结构特征会产生小尺寸效应、体积效应、量子尺寸效应[2]、宏观量子隧道效应[3]等。材料的电、光、力、磁都会受这些效应的影响。因此纳米材料在传感器、催化剂以及光电材料方面都有广泛的应用前景。
随着科技的发展与进步，许多纳米材料被广泛的研究和应用。由于能源危机和环境污染问题的日益加剧，人们越来越注重绿色能源的开发以及利用，那么就必不可少的引起了许多对于纳米材料的研究热潮。由于大部分的纳米材料都具有许多光、电、磁等性能，所以应用领域广泛。WO3纳米材料作为一种典型的功能型纳米材料被广泛研究。它具有优异的电致变色性能[4]、光致变色性能[5]、气致变色性能[6]以及光催化性能等。对于WO3纳米材料的研究有利于推进科技的发展，并且在改善环境以及节约能源等方面都有一定的应用前景[7-8]。
三氧化钨是一种n型半导体材料，具有多种对称型结构，如四方、六方、单斜、正交、立方等结构。WO3的晶体是由一个钨原子和六个氧原子构成的正八面体共用顶点排列而成[9]。如图1.1所示为三氧化钨晶体结构。 图1.1 三氧化钨晶体结构
1.1 WO3纳米片薄膜的制备方法
随着纳米材料的兴起，对于纳米WO3薄膜的研究的深入，纳米WO3薄膜的制备方法也变得越来越多样。至今为止，WO3纳米薄膜的制备方法主要有：水热法[10]、蒸发法、溅射法[11]、溶胶-凝胶法[12]、电子束蒸发法、化学蒸气沉积法、阳极氧化法、电沉积法[13]、脉冲准分子激光沉积法、离子镀法[14-15]等。其中由于有些制备方法的技术较为复杂，工艺条件较为苛刻，所以应用也受到了一定的限制。目前应用较为普遍的有溶胶-凝胶法、化学气象沉积法、阳极氧化法、溅射法以及水热法。
1.1.1 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是将配置好的前驱物分散到溶剂中制成均匀的溶液，溶质与溶剂发生水解反应，水解产物经缩聚反应形成溶胶，组成溶胶的粒子为纳米级，再通过一定的工艺可以制成粉体或者薄膜。可以采用提拉、旋涂等方法将溶胶涂覆在基底上以获得薄膜[16]。目前溶胶-凝胶法制备WO3薄膜大致有: 钨酸盐酸化法、钨粉过氧化聚钨酸法、钨酸盐的离子交换法、钨的醇盐水解法、氯化钨的醇化法等几种类型[17]。
溶胶-凝胶法制备WO3薄膜的工艺简单、成本相对较低、材料可以呈现的形状多样以及可以大面积成膜等优点。在薄膜制备过程中薄膜与基板之间不能够很好的附着，溶胶稳定时间较短，寿命也相对较短[18]。
1.1.2 化学气象沉积法
化学气相沉积法是在气相中使气体化合物发生化学反应，经过成核和长大两个阶段形成固相物质并沉积形成薄膜的工艺过程。一般选择金属W或者WO3作为沉积WO3薄膜的材料[19]。由于是通过气体化合物的反应来制备薄膜，所以薄膜的组成可以受到控制，因此能够实现新的结构和组成的薄膜的制备。
化学气相沉积法可用来制备功能复杂、均匀性较好以及纯度较高的薄膜。制备的薄膜一般附着力较好，延展性也较高。不过由于气相前驱物的制备不便或者缺乏，导致了化学气相沉积法的应用受到了一定的限制。
1.1.3 阳极氧化法
阳极氧化法是将金属W作为阳极，在适当的电解质中进行电化学氧化，从而刻蚀出多孔或者管状氧化物薄膜材料的方法。
阳极氧化法具有工艺简单、成本较低、制备快等优点，适用于制备多孔性薄膜。同时也存在不易大面积成膜的缺点。
1.1.4 溅射法
溅射法是通过使用高能量的惰性气体离子轰击靶材，使靶材中的原子从固体表面溅射出来，然后沉积到基板上形成薄膜的方法，是物理气相沉积的一种[20]。溅射法包括多种，如直流溅射法、磁控溅射法、离子束溅射法、脉冲溅射法等。其中磁控溅射的应用最为广泛，它具有成膜效率高、工作气体压力低等优点。
溅射法可以用来制备多种多样的金属材料，其中包括高熔点或者低熔点金属的纳米薄膜，同时也可以用来制备多组元的纳米薄膜。所制备的薄膜粒径较为均匀。同时也存在成本较高无法大规模生产等缺点。
1.1.5 水热法
水热法又称热液法，是在密闭容器（高压釜）中，采用水作为溶剂，对密闭容器进行加热，使其产生一个高温、高压的环境，在这样的一个环境中进行反应，使那些在常温、常压状态下难以溶解或完全不溶的物质发生溶解与重结晶。溶剂在高温高压状态下的反应活性较高，物质在溶剂中的化学反应性能有很大改变,因此水热下化学反应与常温常压下的反应有所不同[21]。
水热法的反应条件易于控制，并且可以生成多种特殊形貌的产物[22]。水热法已经被用于制备多种形貌的纳米WO3薄膜。
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