WO3纳米结构的可控制备及其应用研究
WO3纳米结构的可控制备及其应用研究
在半导体纳米材料中，纳米三氧化钨因其优异的物理及化学性质，人们将它
广泛应用于气敏、电致变色、光致变色、有机催化及光催化等众多领域。本文主
要阐述了纳米三氧化钨的化学法合成及应用。本文通过化学法，成功制备了高度
有序的三氧化钨纳米线，并利用 XRD 和 SEM 图像对制备的纳米线进行成分和形
貌分析。然后，利用制备好的纳米线光催化分解罗丹明 B 溶液，探索纳米三氧化
钨在光催化方面的应用。最后，展望了纳米三氧化钨在治理环境污染方面的研究
和应用前景。
关键词 纳米三氧化钨，水热合成法，光催化
1 绪论 1 1．1 WO3 纳米结构的可控制备 1
1．2 WO3 纳米结构的应用研究 2
1．3 本课题研究的目的及主要内容 4
2 实验部分 4
2．1 实验原理 4
2．2 实验材料和仪器 4
2．3 实验步骤 5
2．4 实验结果和分析 11
3 纳米 WO3 在光催化方面的应用研究. 16
3.1 纳米材料光催化分解污染物的原理 . 16
3.2 纳米 WO3 光催化分解水中污染物的实验 17
3.3 纳米 WO3 光催化实验结果和分析 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 绪论
WO3 是一种应用十分广泛的 n 型半导体材料，由于它特殊的化学和物理性质，人
们将它应用于气敏、电致变色、光致变色、有机催化及光催化等众多领域。所谓纳米
微粒，就是指那些粒度介于 1-100nm 之间的粒子。纳米微粒和宏观物体结构最大的区
别就在于纳米微粒相对于宏观微粒具有较大的比表面积，并且纳米微粒的表面能、表
面原子数和表面张力与粒径的大小有着密不可分的关系，粒径越小，其表面能、表面
原子数和表面张力越大[1]。所以纳米 WO3 相对于 WO3 来说，具有量子隧道效应、小
尺寸效应等特殊的性能，大大提高了纳米 WO3 的应用范围[2]，并且纳米 WO3 在吸收
储藏太阳能和利用光催化反应降解污水和雾霾中的污染物等方面也有着十分广阔和
可观的应用前景[3]。 1．1 WO3纳米结构的可控制备
一般金属纳米微粒的制备方法分为物理法和化学法[4]。这些物理和化学方法通常
也都适用于纳米 WO3 材料的制备，将这些制备方法按照物质的初始形态进行分类，
可以分为固相法、液相法和气相法[5]。而目前最常用的一种制备方法是液相法，其主
要方法有：水热合成法、溶胶一凝胶法、电脉沉积法、化学沉淀法等。 1．1．1 水热合成法
水热合成法[6]是指在高温、高压下利用物质在水溶液中的化学反应所进行的合成
方法。很多纳米颗粒都可以通过水热合成法来进行制备，纳米铣粉、镍粉、以及纳米
SnO2 都是通过水热合成法制备的，制备出的这些粒子，其中最小的粒径已经可以达到
数纳米的标准，如果用该种方法制备纳米 WO3 颗粒，也应该可以达到这种粒度标准。
徐英明等[7]通过水热合成法，用 Na2WO3 作为原料，通过改变反应时溶液的 pH 值、
反应的温度、时间以及溶液中酸的质量浓度，成功的制备出了焦绿石型 WO3 超微粉
体，并且采用 TEM，EPMA，XRD 等测试仪器对样品进行了表征，表征显示其所得
的产物为立方晶系的焦绿石型 WO3 超微粉体，粒径大小约为 24nm。水热合成法的优
点在于它可以直接生成氧化物，避免锻烧，使得生成产物团聚程度小且分布均匀，具
有较好的性能，但这种方法所要求的操作水平较高。 1．1．2 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法[8]，其基本原理是将金属的醇盐或无机盐水解直接形成溶胶或经解凝
形成溶胶，然后使溶质集合胶化，制成薄膜或直接干燥，热处理去除有机成分，最后
得到块体无机材料或纳米微粒。这种方法的特点是，在很小的尺寸范围内，将溶液放
在低温下进行化学反应，从而控制生成微粒的显微构造，使生成的纳米微粒可以均匀
分布，达到纳米级甚至分子级水平，较大的提高了材料的应用性能。溶胶-凝胶法制备
纳米颗粒的优点在于，它实验时所用的装置比较简单，原料简单易得，对反应条件的
要求也不高。但溶胶-凝胶法通常需要高温加热，比较容易引起相变，不容易控制纳米
结构的生成。 1．1．3 电泳沉积法
电泳沉积(Electrophoretic deposition，EPD)是一种制备纳米微粒的电化学方法，这
种方法在最近几年发展十分迅速，得到了广泛的关注。电泳沉积是由电解、电泳、电
沉积和电渗四个部分组成，其主要原理是：电泳涂料阴阳两极在施加电压的作用下，
阴极表面发生电解生成氢氧根，形成碱性作用，当阳离子及氢离子移动到阴极表面时，
与表面的碱性作用形成不溶物，沉积于工件表面。电泳沉积的实验原理可以大致分为
两个过程，第一，在电压作用下，带点的阴阳离子向其相反的电极运动；第二，带电
粒子在电极表面沉积形成不溶物。Eugene Khoo[9]曾经进行过这样的实验，将0.825g的
Na2WO4.2H2O和0.29g的NaCl溶解在20ml蒸馏水中后，用3.0mol/L的盐酸将其pH调节
到适当的值，在180℃的温度下反应24小时后，用电泳沉积法，在5～6V/cm的电压下
成功合成了一维WO3纳米棒。EPD的优点在于，它所用的实验装置比较简单，对操作
要求不高，易于控制实验的进程，并且不需要进行高温处理，所以在沉积过程中可以
避免引起相变。 1．1．4 化学沉淀法
化学沉淀法是制备纳米颗粒的一种化学方法，其基本原理是将适当的沉淀剂加入
到金属盐溶液中，从而通过反应得到前驱体沉淀物，再将此前驱体沉淀物进行脱水、
高温煅烧，干燥形成纳米粉体。将玻璃片放置在烧杯中，以去离子水作为清洗剂，用
超声波清洗器机械搅拌20min，震动清洗，再用无水乙醇作为清洗剂，再次震动清洗
20min，在玻璃片上滴上Na2WO4，在真空干燥箱中60℃下干燥6h，形成种子层，以
Na2WO4和HCL作为原料，在电阻炉中，500℃下锻烧2h，得到平均粒径为40nm、形状
类似球形的纳米WO3颗粒。通过这种方法制备得到的纳米WO3，具有较小的粒径和较
窄的粒度分布，且实验方法简单，操作要求不高，实验过程容易控制[10]。
1．2 WO3纳米结构的应用研究
在半导体纳米材料中，纳米三氧化钨因其优异的物理及化学性质，人们将它
广泛应用于气敏、电致变色、光致变色、有机催化及光催化等众多领域。本文主
要阐述了纳米三氧化钨的化学法合成及应用。本文通过化学法，成功制备了高度
有序的三氧化钨纳米线，并利用 XRD 和 SEM 图像对制备的纳米线进行成分和形
貌分析。然后，利用制备好的纳米线光催化分解罗丹明 B 溶液，探索纳米三氧化
钨在光催化方面的应用。最后，展望了纳米三氧化钨在治理环境污染方面的研究
和应用前景。
关键词 纳米三氧化钨，水热合成法，光催化
1 绪论 1 1．1 WO3 纳米结构的可控制备 1
1．2 WO3 纳米结构的应用研究 2
1．3 本课题研究的目的及主要内容 4
2 实验部分 4
2．1 实验原理 4
2．2 实验材料和仪器 4
2．3 实验步骤 5
2．4 实验结果和分析 11
3 纳米 WO3 在光催化方面的应用研究. 16
3.1 纳米材料光催化分解污染物的原理 . 16
3.2 纳米 WO3 光催化分解水中污染物的实验 17
3.3 纳米 WO3 光催化实验结果和分析 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 绪论
WO3 是一种应用十分广泛的 n 型半导体材料，由于它特殊的化学和物理性质，人
们将它应用于气敏、电致变色、光致变色、有机催化及光催化等众多领域。所谓纳米
微粒，就是指那些粒度介于 1-100nm 之间的粒子。纳米微粒和宏观物体结构最大的区
别就在于纳米微粒相对于宏观微粒具有较大的比表面积，并且纳米微粒的表面能、表
面原子数和表面张力与粒径的大小有着密不可分的关系，粒径越小，其表面能、表面
原子数和表面张力越大[1]。所以纳米 WO3 相对于 WO3 来说，具有量子隧道效应、小
尺寸效应等特殊的性能，大大提高了纳米 WO3 的应用范围[2]，并且纳米 WO3 在吸收
储藏太阳能和利用光催化反应降解污水和雾霾中的污染物等方面也有着十分广阔和
可观的应用前景[3]。 1．1 WO3纳米结构的可控制备
一般金属纳米微粒的制备方法分为物理法和化学法[4]。这些物理和化学方法通常
也都适用于纳米 WO3 材料的制备，将这些制备方法按照物质的初始形态进行分类，
可以分为固相法、液相法和气相法[5]。而目前最常用的一种制备方法是液相法，其主
要方法有：水热合成法、溶胶一凝胶法、电脉沉积法、化学沉淀法等。 1．1．1 水热合成法
水热合成法[6]是指在高温、高压下利用物质在水溶液中的化学反应所进行的合成
方法。很多纳米颗粒都可以通过水热合成法来进行制备，纳米铣粉、镍粉、以及纳米
SnO2 都是通过水热合成法制备的，制备出的这些粒子，其中最小的粒径已经可以达到
数纳米的标准，如果用该种方法制备纳米 WO3 颗粒，也应该可以达到这种粒度标准。
徐英明等[7]通过水热合成法，用 Na2WO3 作为原料，通过改变反应时溶液的 pH 值、
反应的温度、时间以及溶液中酸的质量浓度，成功的制备出了焦绿石型 WO3 超微粉
体，并且采用 TEM，EPMA，XRD 等测试仪器对样品进行了表征，表征显示其所得
的产物为立方晶系的焦绿石型 WO3 超微粉体，粒径大小约为 24nm。水热合成法的优
点在于它可以直接生成氧化物，避免锻烧，使得生成产物团聚程度小且分布均匀，具
有较好的性能，但这种方法所要求的操作水平较高。 1．1．2 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法[8]，其基本原理是将金属的醇盐或无机盐水解直接形成溶胶或经解凝
形成溶胶，然后使溶质集合胶化，制成薄膜或直接干燥，热处理去除有机成分，最后
得到块体无机材料或纳米微粒。这种方法的特点是，在很小的尺寸范围内，将溶液放
在低温下进行化学反应，从而控制生成微粒的显微构造，使生成的纳米微粒可以均匀
分布，达到纳米级甚至分子级水平，较大的提高了材料的应用性能。溶胶-凝胶法制备
纳米颗粒的优点在于，它实验时所用的装置比较简单，原料简单易得，对反应条件的
要求也不高。但溶胶-凝胶法通常需要高温加热，比较容易引起相变，不容易控制纳米
结构的生成。 1．1．3 电泳沉积法
电泳沉积(Electrophoretic deposition，EPD)是一种制备纳米微粒的电化学方法，这
种方法在最近几年发展十分迅速，得到了广泛的关注。电泳沉积是由电解、电泳、电
沉积和电渗四个部分组成，其主要原理是：电泳涂料阴阳两极在施加电压的作用下，
阴极表面发生电解生成氢氧根，形成碱性作用，当阳离子及氢离子移动到阴极表面时，
与表面的碱性作用形成不溶物，沉积于工件表面。电泳沉积的实验原理可以大致分为
两个过程，第一，在电压作用下，带点的阴阳离子向其相反的电极运动；第二，带电
粒子在电极表面沉积形成不溶物。Eugene Khoo[9]曾经进行过这样的实验，将0.825g的
Na2WO4.2H2O和0.29g的NaCl溶解在20ml蒸馏水中后，用3.0mol/L的盐酸将其pH调节
到适当的值，在180℃的温度下反应24小时后，用电泳沉积法，在5～6V/cm的电压下
成功合成了一维WO3纳米棒。EPD的优点在于，它所用的实验装置比较简单，对操作
要求不高，易于控制实验的进程，并且不需要进行高温处理，所以在沉积过程中可以
避免引起相变。 1．1．4 化学沉淀法
化学沉淀法是制备纳米颗粒的一种化学方法，其基本原理是将适当的沉淀剂加入
到金属盐溶液中，从而通过反应得到前驱体沉淀物，再将此前驱体沉淀物进行脱水、
高温煅烧，干燥形成纳米粉体。将玻璃片放置在烧杯中，以去离子水作为清洗剂，用
超声波清洗器机械搅拌20min，震动清洗，再用无水乙醇作为清洗剂，再次震动清洗
20min，在玻璃片上滴上Na2WO4，在真空干燥箱中60℃下干燥6h，形成种子层，以
Na2WO4和HCL作为原料，在电阻炉中，500℃下锻烧2h，得到平均粒径为40nm、形状
类似球形的纳米WO3颗粒。通过这种方法制备得到的纳米WO3，具有较小的粒径和较
窄的粒度分布，且实验方法简单，操作要求不高，实验过程容易控制[10]。
1．2 WO3纳米结构的应用研究
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/471.html
