一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列，其具有核壳结构，其中晶态三氧化钨纳米线为核，采用溶剂法获得；非晶态钛掺杂氧化钨薄膜为壳，采用可变温的磁控溅射法获得；晶态三氧化钨纳米线长度为300‑1000nm，直径为20‑50nm；钛掺杂非晶态氧化钨纳米壳层被均匀地包覆在晶态氧化钨纳米线上，复合后直径在30‑150nm范围内调控。本发明专利技术利用磁控溅射方法将钛掺杂氧化钨薄膜均匀沉积在三氧化钨纳米线表面，得到核壳结构电致变色材料，该结构具有优异的电致变色性能，具有良好的稳定性，并且对比度高、转换速度快。

【技术实现步骤摘要】
一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列及其制备方法
本专利技术属于材料制备合成领域，具体涉及一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列及其制备方法。
技术介绍
电致变色是一种光学性能可变换性变色，一般是指材料在施加外电场或电流后，会发生与电化学氧化还原反应相关联的透光率和(或)反射率的可逆的和持久的变化，直观地表现为材料的颜色和透明度发生可逆变化的过程。电致变色材料因为其特殊的性能和诱人的应用前景而迅速成为研究人员们争相研究的领域。电致变色材料不仅可以应用于智能节能窗、信息显示器上，还能应用于防眩目后视镜、信息储存器等多个领域，在国防和军事方面同样具有广泛的应用市场。由于其在中远红外光谱具有红外发射可调特性，可制成新型红外发射器件，应用于卫星、武器装备的红外隐身等多种领域。无机电致变色材料由于其优良的性能受到广泛的关注，例如高的对比度、优良的光学调控幅度、高循环稳定性和制备工艺简单等。在众多的无机电致变色材料中，过渡族金属氧化物吸引广泛的兴趣，其中包含阴极着色材料(氧化钨，氧化钼，氧化钛，氧化钒)和阳极着色材料(氧化镍，氧化钴)。三氧化钨作为最有应用前景的无机电致变色材料被广泛的研究，与其他的过渡族金属氧化物相比其具有独特的变色性能，如：价格低廉、容易合成、低能耗、高对比度、与基底结合力强等优点，但传统的三氧化钨也存在着变色速度慢和着色效率低的缺点。因此我们选择将三氧化钨变色材料进行纳米化以提升其变色效率和转变速度，其中垂直取向的三氧化钨纳米线阵列引起了相当大的关注，因为它可以提供大量的电荷传输隧道，导致大的扩散系数，纳米线之间的开孔空隙减小了Li+离子的扩散路径长度，它们还提供了较大的比表面积。这些显著增强的功能提供了将垂直定向的三氧化钨纳米线阵列薄膜作为模板来合成电致变色材料的应用的动力，但是这种超细氧化钨纳米线也存在着循环稳定性差的缺点。而对氧化钨薄膜进行合理的掺杂是提升其性能的一种有效途径。对于WO3掺杂元素的选取，常选择与W有相近离子半径、相同氧化物结构形式的物质进行掺杂，如Mo、Ti等，以获得更好的掺杂效果。TiO2具有适宜的离子微观结构、高的机械性能和化学稳定性，钛掺杂氧化钨薄膜可以改善稳定性，加快响应时间和延长寿命等。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列，具有核壳结构，其中，晶态三氧化钨纳米线为核，采用溶剂法获得；非晶态钛掺杂氧化钨薄膜为壳，采用可变温的磁控溅射法获得；晶态三氧化钨纳米线垂直于FTO导电玻璃基底且生长分布均匀，长度为300-1000nm，直径为20-50nm；钛掺杂非晶态氧化钨纳米壳层被均匀地包覆在晶态氧化钨纳米线上，复合后直径在30-150nm范围内调控，而且钛掺杂氧化钨纳米壳层的沉积并不破坏三氧化钨纳米线的初始阵列结构。一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列的制备方法，具体步骤如下：(1)将FTO导电玻璃依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，清洗完后放在红外灯下烤干；(2)将步骤(1)中清洗干净的FTO导电玻璃放入磁控溅射镀膜系统真空室的样品台上，利用磁控溅射镀膜系统在FTO导电玻璃表面均匀沉积一层氧化钨薄膜，再将溅射得到的薄膜放入管式炉中进行退火处理即得到含有子晶的FTO导电玻璃；(3)将钨酸粉末溶解在30％过氧化氢和去离子水的混合溶液中，将溶液搅拌至澄清，然后再用去离子水稀释溶液至浓度为0.01-0.3mol/L，此稀释后的溶液为过氧钨酸溶液；(4)将步骤(3)制备的过氧钨酸溶液与乙腈，去离子水配制混合溶液，然后用盐酸将混合溶液的pH调至0.1-3，配成前驱体溶液；(5)将步骤(4)配制的前驱体溶液加入到高压反应釜中，将步骤(2)制备的含有子晶的FTO导电玻璃浸泡固定于前驱体溶液中，将高压反应釜加热到150-220℃，保持6-15h；水热反应结束后，取出FTO导电玻璃，用去离子水冲洗表面，并在室温下干燥即制得含有三氧化钨纳米线阵列薄膜的FTO导电玻璃；(6)将步骤(5)中得到的含有三氧化钨纳米线阵列薄膜的FTO导电玻璃放入磁控溅射镀膜系统真空室的样品台上，利用磁控溅射方法将钛掺杂氧化钨薄膜均匀沉积在步骤(5)得到的三氧化钨纳米线阵列表面，得到晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列。优选地，步骤(1)的具体过程如下：将FTO导电玻璃依次置于装有丙酮、乙醇、去离子水的烧杯中并分别超声20-60min，之后放在滤纸上用红外灯烤干。优选地，步骤(2)的具体过程如下：将步骤(1)中清洗干净的FTO导电玻璃放入磁控溅射镀膜系统真空室的样品台上，然后将三氧化钨靶放在射频溅射靶位上，调节三氧化钨靶与FTO导电玻璃的距离为0.9-11cm；抽真空，等到真空室中真空抽到2.0*10-4Pa以下时，通入氩气和氧气，调节真空室气压到0.1-2.5Pa，打开射频溅射控制系统，在FTO导电玻璃表面溅射一层氧化钨，溅射功率设为20-100W，溅射时间3-30min，待溅射结束之后，再将FTO导电玻璃从真空室中取出，放入管式炉中在空气中进行退火处理，退火温度100-500℃，退火时间60-240min，升温速率1-3℃/min，即得到含氧化钨子晶的FTO导电玻璃基底。优选地，步骤(2)中三氧化钨靶的纯度为99.99％，氩气和氧气的比例为1:1-1:9。优选地，步骤(3)中30％过氧化氢和去离子水的体积比为1:3。优选地，步骤(4)中过氧钨酸溶液、乙腈和去离子水的体积比为2:1:2，盐酸的浓度为3mol/L。优选地，步骤(5)中高压反应釜的加热速率为8℃/min。优选地，步骤(6)中的具体过程如下：将步骤(5)得到的含有三氧化钨纳米线阵列薄膜的FTO导电玻璃放入磁控溅射镀膜系统真空室的样品台上，然后将含钛质量比为10％的钨钛合金靶放在直流溅射靶位上，调节钨钛合金靶与FTO导电玻璃的距离为0.9-11cm；抽真空，等到真空室中真空抽到2.0*10-4Pa以下时，通入氩气和氧气，调节真空室气压到0.1-2.5Pa，打开直流溅射控制系统，在含有三氧化钨纳米线阵列薄膜的FTO导电玻璃表面溅射一层非晶态钛掺杂氧化钨薄膜，溅射功率设为20-100W，溅射时间3-30min，溅射速度2-4nm/min，即得到晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列。优选地，步骤(6)中钨钛合金靶的纯度为99.99％，氩气和氧气的比例为1:1-1:9；通过调节溅射功率和气压，不同厚度的氧化钨薄膜中钛掺杂量也不同，从而改变薄膜在紫外吸收强度与吸收边，改变掺杂后薄膜带隙，从而获得响应波长范围宽的晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术电致变色材料具有有序纳米线阵列结构，可有效减少离子扩散路径，提高电子传输速度和离子扩散速率，提供了可用于电化学反应的大的活性表面积，加快反应动力学过程，降低薄膜褪色电压，大幅提高电致变色材料的响应速度；而且利用磁控溅射法在纳米线表面包裹一层钛掺杂氧化钨薄膜，可以有效缓解纳米线在循环过程中由于离子的插入和脱出造成的体积变化，可以增强长期循环稳定性；2、氧化钨和氧化钛阴极着本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列，其特征在于：具有核壳结构，其中，晶态三氧化钨纳米线为核，采用溶剂法获得；非晶态钛掺杂氧化钨薄膜为壳，采用可变温的磁控溅射法获得；晶态三氧化钨纳米线垂直于FTO导电玻璃基底且生长分布均匀，长度为300‑1000nm，直径为20‑50nm；钛掺杂非晶态氧化钨纳米壳层被均匀地包覆在晶态氧化钨纳米线上，复合后直径在30‑150nm范围内调控，而且钛掺杂氧化钨纳米壳层的沉积并不破坏三氧化钨纳米线的初始阵列结构。

【技术特征摘要】
1.一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列，其特征在于：具有核壳结构，其中，晶态三氧化钨纳米线为核，采用溶剂法获得；非晶态钛掺杂氧化钨薄膜为壳，采用可变温的磁控溅射法获得；晶态三氧化钨纳米线垂直于FTO导电玻璃基底且生长分布均匀，长度为300-1000nm，直径为20-50nm；钛掺杂非晶态氧化钨纳米壳层被均匀地包覆在晶态氧化钨纳米线上，复合后直径在30-150nm范围内调控，而且钛掺杂氧化钨纳米壳层的沉积并不破坏三氧化钨纳米线的初始阵列结构。2.一种晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)将FTO导电玻璃依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，清洗完后放在红外灯下烤干；(2)将步骤(1)中清洗干净的FTO导电玻璃放入磁控溅射镀膜系统真空室的样品台上，利用磁控溅射镀膜系统在FTO导电玻璃表面均匀沉积一层氧化钨薄膜，再将溅射得到的薄膜放入管式炉中进行退火处理即得到含有子晶的FTO导电玻璃；(3)将钨酸粉末溶解在30％过氧化氢和去离子水的混合溶液中，将溶液搅拌至澄清，然后再用去离子水稀释溶液至浓度为0.01-0.3mol/L，此稀释后的溶液为过氧钨酸溶液；(4)将步骤(3)制备的过氧钨酸溶液与乙腈，去离子水配制混合溶液，然后用盐酸将混合溶液的pH调至0.1-3，配成前驱体溶液；(5)将步骤(4)配制的前驱体溶液加入到高压反应釜中，将步骤(2)制备的含有子晶的FTO导电玻璃浸泡固定于前驱体溶液中，将高压反应釜加热到150-220℃，保持6-15h；水热反应结束后，取出FTO导电玻璃，用去离子水冲洗表面，并在室温下干燥即制得含有三氧化钨纳米线阵列薄膜的FTO导电玻璃；(6)将步骤(5)中得到的含有三氧化钨纳米线阵列薄膜的FTO导电玻璃放入磁控溅射镀膜系统真空室的样品台上，利用磁控溅射方法将钛掺杂氧化钨薄膜均匀沉积在步骤(5)得到的三氧化钨纳米线阵列表面，得到晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列。3.根据权利要求2所述的晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列的制备方法，其特征在于：步骤(1)的具体过程如下：将FTO导电玻璃依次置于装有丙酮、乙醇、去离子水的烧杯中并分别超声20-60min，之后放在滤纸上用红外灯烤干。4.根据权利要求2所述的晶态三氧化钨/钛掺杂非晶态氧化钨纳米线阵列的制备方法，其特征在于：步骤(2)的具体过程如下：将步骤(1)中清洗干净的FTO导电玻璃放入磁控溅射镀膜系统真空室的样品台上，然后将三氧化钨靶放在射频溅射靶位上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉程，汤凯，张勇，史英迪，宋艳斌，王岩，崔接武，舒霞，秦永强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34