五氧化二釩納米材料的制備及其性能綜述

梁芃（鄭州大學材料科學與工程學院，河南鄭州 450001）

五氧化二釩納米材料的制備及其性能綜述

梁芃
（鄭州大學材料科學與工程學院，河南鄭州 450001）

五氧化二釩獨特的物理和化學性能，廣泛應用于傳感器、致動器、鋰離子電池、場效應管以及電致變色等領域。氧化釩納米材料的性能與其微觀結構有密切關系，本文綜合了近年來有關五氧化二釩的制備技術及相關性能研究，從實驗方案，相關性能，結構形貌的表征等方面進行系統的闡述。

五氧化二釩 納米材料 金屬氧化物

1　引言

過渡金屬氧化物V2O5為層狀結構，且存在V+2、V+3、V+4和V+5等價態，使得V2O5廣泛應用于催化、電致變色、電化學等領域，而納米結構的V205更可用于場效應晶體管、傳感器自旋電子器件和納米光刻模板等。V2O5具有層狀結構層內強的O-V-O-V鍵結合，每個V原子與五個O原子形成5個V-O鍵，V原子處于畸變的［VO5］四方錐的中間，O原子位于頂點處，［VO5］四方錐以共頂點和共邊的方式相互連接，形成平面結構。其特殊的晶體和電子結構，賦予了不同的應用。

（1）電學性能及其應用；扶手椅型之字型結構的V2O5納米管最大能隙分別為2.67eV/2.95eV，且管徑縮小，能隙降低，趨于消失，對材料進行表面涂覆貴金屬、氧化物納米粒子或者半導體量子點等處理，還可提高其靈敏度和穩定性。V2O5的層狀結構，非常適合于Li+的嵌入和脫出，Wu等利用碳球模板制備了Rattle-type構型的V2O5納米結構，在鋰離子電池方面展現出良好的性能。Dimitra Vernardou采用電化學沉積的方法，在氧化鋁表面進行氧化釩電鍍，測試了不同種基底材料包括FTO和Ag/AgCl等離子復合，進行了循環次數和電能儲量等測試，研究發現釩系材料在多次循環后CV曲線幾乎保持不變，同時在持久性也有良好的表現。如圖（1-3）所示。

（2）光學及其應用；對V2O5納米管進行電致變色、光學吸收、紅外和剩曼光譜、光限幅特性等方面的研究，發現其在2.5eV以下有一個寬吸收帶，其中心位于1.25eV處，還包含了三個單獨的特征吸收峰，分別為0.87、1.25和1.76 eV，光譜吸收閾值為0.55 eV，這是V2O5納米管的光學帶隙隨著層間距的增加，光學帶隙發生紅移，利用V2O5納米線作為刻他模板制備的AuPd納米金屬線，電阻在lOIdl量級，I-V呈現線性關系，而且能制備納來空隙，得到與金屬納來線相同的橫截面。對V2O5納米棒陣列進行電致變色研究，發現隨著時間延長，波長在700nm左右的光的透過率降低，在3 V電壓下，其響應速率要比薄膜快很多。而對V2O5納米線的電致變色測試表明，波長為415 nm光的透過率改變達到37.4%，1000次循環后仍保持良好的變色特性，且變色時間只有6s，迗到了電致變色顯示器件的要求。

（3）敏感性能應用；V2O5獨特的層狀通道結構，有利于氣體分子的吸附和導通，進入活性位點，且釩價態較多，由此產生的電子傳導變化大，作為一種n型半導體，可以在多種氣體及可揮發性液體中發揮作用，敏感性能明顯，是很好的氣敏材料。

（4）催化劑應用；五氧化二釩主要用作接觸法制硫酸的催化劑，也可做多種有機化合物氧化反應的催化劑，如蒽氧化為蒽醌等。還用于制造彩色玻璃和陶瓷，同時也可以用作對污染物的降解。因為其帶隙在合適的范圍，可期在光催化等領域發揮作用。

2　制備方法

2.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法用含高化學活性組分的金屬醇鹽或無機鹽等作前驅體，將其溶于水或有機溶劑制成均質溶液，溶質在溶液中發生水解反應，生成納米級的粒子并形成溶膠，溶膠又發生聚合形成凝膠，凝膠再經干燥和熱處理，制備得到納米粒子和所需材料。以聚破酸醋多孔過濾膜為模板，采用溶膠-凝膠法就制備得到了納來級的菱形V2O5，其形狀類似刷子上的棕。而將晶體V2O5溶于過氧化復的水溶液，也可形成凝膠，凝膠再經干燥就得到V2O5納米粉。溶膠一凝膠過程所需的時間較長，通常需要幾天或幾周，最后凝膠在干燥過程中由于水或有機物的分解會逸出許多氣體，導致凝膠收縮，對結構的穩定性產生不利影響。

2.2水熱與溶劑熱法

通過加熱創造一個高溫高壓的特殊物理化學環境，使前驅物在其中充分溶解，形成原子或分子生長基元，原子或分子經重新成核、生長，最終形成具有一定結晶形態的晶粒。而溶劑熱法采用有機溶劑代替水作介質，過程與水熱法類似。水熱法制備V2O5納米粉體，通常以水或水和有機溶劑的混合溶劑作為反應介質，以V2O5粉體、機酸鹽或氧化祝凝膠作為前驅體，通過向體系中加入表面活性刻、控制溶液pH、水熱溫度、水熱時間等方法來制備形貌各異的V2O5納米

芃梁（1993—），男，漢族，河南洛陽人，本科，研究方向：復合材料。