掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法及二氧化钒微米管阵列和二氧化钒微米管技术

本发明专利技术公开了一种掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法及二氧化钒微米管阵列和二氧化钒微米管，该方法包含：步骤一：按预先设定的掺杂比例，分别称取金属钒原材料和用于掺杂到金属钒中的掺杂材料；步骤二：将金属钒原材料与掺杂材料熔炼成均匀混合的块体；步骤三：将块体切割为片状，得到掺杂的钒片；步骤四：采用电流加热的方法将钒片加热到1100～1900℃，保持10～20秒；步骤五：使钒片自然冷却到室温，在钒片表面得到由掺杂的二氧化钒微米管组成的二氧化钒微米管阵列；二氧化钒微米管阵列立于钒片表面，二氧化钒微米管具有中空结构，截面呈近矩形。本发明专利技术的掺杂方法简单易行、成本低廉、对设备要求低、周期短，利于工业化实现。

【技术实现步骤摘要】
掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法及二氧化钒微米管阵列和二氧化钒微米管
本专利技术涉及二氧化钒功能材料的
，具体涉及一种掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法及二氧化钒微米管阵列和二氧化钒微米管。
技术介绍
二氧化钒(VO2)是一种具有热致相变特性的功能材料，它的相变温度约为68℃，在此温度下发生高温金属相(R相)和低温绝缘体相(M1相)的可逆相变。二氧化钒的相变温度比其他钒的氧化物的相变温度更接近室温，因此成为近几年的主流研究对象。但是此温度与室温还是有一定差距，所以，如何进一步降低相变温度并保持良好的相变性能是目前的研究热点。对二氧化钒进行掺杂是一种能降低相变温度的有效手段，但是，从目前的研究现状来看有两大不足：一是目前制备掺杂的二氧化钒的工艺复杂、时间长、成本高、不易实施工业化生产；二是虽有文献报道将掺杂的二氧化钒的相变温度降低到了28℃，但是二氧化钒的相变性能劣化，不利于应用。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法，以及通过这种制备方法制备得到的掺杂的二氧化钒微米管阵列和掺杂的二氧化钒微米管，这种制备方法工艺简单、周期短、成本低、易控，在保持材料良好的相变性能前提下能有效调节相变温度，制备得到的掺杂的二氧化钒微米管和掺杂的二氧化钒微米管阵列结构新颖。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法，其包含以下步骤：步骤一：按预先设定的掺杂比例，分别称取金属钒原材料和用于掺杂到金属钒中的掺杂材料；步骤二：将所述的金属钒原材料与所述的掺杂材料熔炼成均匀混合的块体；步骤三：将所述的块体切割为片状，得到掺杂的钒片；步骤四：采用电流加热的方法将所述的掺杂的钒片加热到1100～1900℃，保持10～20秒；步骤五：使所述的掺杂的钒片自然冷却到室温，在所述的掺杂的钒片表面得到由掺杂的二氧化钒微米管组成的掺杂的二氧化钒微米管阵列；所述的掺杂的二氧化钒微米管阵列立于所述的掺杂的钒片表面，所述的掺杂的二氧化钒微米管具有中空结构，截面呈近矩形。较佳地，步骤二中，所述的熔炼为电弧熔炼。较佳地，步骤四中，通以直流电或交流电对所述的掺杂的钒片进行加热。较佳地，所述的直流电或交流电为5～50安培。较佳地，所述的掺杂材料包含钨、铌、钴中的任意一种或两种以上。较佳地，所述的掺杂的二氧化钒微米管的长度为300微米以上。较佳地，所述的掺杂的二氧化钒微米管的截面的边长为1～22微米。本专利技术还提供了根据上述的掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法制备得到的掺杂的二氧化钒微米管阵列，所述的掺杂的二氧化钒微米管阵列由掺杂的二氧化钒微米管组成，所述的掺杂的二氧化钒微米管阵列立于所述的掺杂的钒片表面，所述的掺杂的二氧化钒微米管具有中空结构，截面呈近矩形。本专利技术还提供了根据上述的掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法制备得到的掺杂的二氧化钒微米管，所述的掺杂的二氧化钒微米管具有中空结构，截面呈近矩形。相对于现有技术，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的制造方法工艺简单、周期短、成本低、易控，在保持良好的相变性能前提下能有效调节相变温度，相变温度可低至室温的25.68℃。(2)本专利技术无需采用太高纯度的金属钒，成本低廉、产率高，所使用的设备简单、反应易控，利于工业化生产。(3)本专利技术所制备的掺杂的二氧化钒微米管，以及掺杂的二氧化钒微米管组成的阵列具有新颖结构，掺杂的二氧化钒微米管具有独特的分立、竖直和中空的结构，可以为掺杂的二氧化钒微米管的膨胀和收缩提供缓冲空间，从而可以极大的缓解掺杂的二氧化钒微米管的体积变化造成的破裂，最终显著改善其服役时的循环稳定性；且在锂电池应用和催化剂应用上保证电解液/电解质与掺杂的二氧化钒的充分接触，继而降低电化学反应阻力，进一步提升锂/钠离子电池的性能。附图说明图1为实施例1合成产物在掺杂的钒片表面形成后的显微镜图。图2为实施例1合成产物的侧面扫描电子显微镜图。图3为实施例1合成产物的正面扫描电子显微镜图。图4为实施例1合成产物的X射线衍射图。图5为对比例合成产物的能谱图。图6为实施例1合成产物的差示扫描量热图。图7为实施例2合成产物的侧面扫描电子显微镜图。图8为实施例2合成产物的正面扫描电子显微镜图。图9为实施例2合成产物的X射线衍射图。图10为实施例2合成产物的差示扫描量热图。图11为实施例3合成产物的侧面扫描电子显微镜图。图12为实施例3合成产物的正面扫描电子显微镜图。图13为实施例3合成产物的X射线衍射图。图14为实施例3合成产物的差示扫描量热图。图15为本专利技术的掺杂的二氧化钒微米管阵列的生长机制的示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。实施例1步骤一：称取金属钒小颗粒9.314克和金属钨小颗粒0.686克，两种金属的原子比为98:2；金属钒小颗粒和金属钨小颗粒纯度均为99.95％，购买自中诺新材(北京)科技有限公司。步骤二：在真空电弧炉中熔炼配比好的金属钒和金属钨的小颗粒，制成钨掺杂的钒块体；熔炼获得的块体近似椭球型，厚度约7mm。步骤三：将钨掺杂的钒块体切割为长20毫米、宽3毫米、厚0.2毫米的钨掺杂的钒片；钨掺杂的钒片可以通过专业设备切割得到。步骤四：在室温的空气中，给钨掺杂的钒片通以5～50安培的直流电或交流电进行加温，使钨掺杂的钒片达到白炽状态(温度达到1100～1900摄氏度)，保持10～20秒。通以电流时，钨掺杂的钒片的两端分别用两个支架夹持。电流加热时，整个钨掺杂的钒片的温度不均匀，中间段温度最高，达到白炽状态，此处可形成合成产物。步骤五：切断电源，使钨掺杂的钒片自然冷却到室温，在钨掺杂的钒片的中心区域得到总体直径约3毫米的固态合成产物。结果请参阅图1，固态合成产物包括生长于钨掺杂的钒片3表面的基体1，以及位于基体1上的钨掺杂的二氧化钒微米管阵列20。图1中，钨掺杂的钒片3主要成分为V，基体1主要成分为V2O5，二氧化钒微米管阵列20主要成分为VO2。用扫描电子显微镜观察合成产物的形貌。图2为合成产物侧面观察得到的电子显微镜图，从图2可以看到，该合成产物底部为基体1，基体1上有许多分立排列的柱形的钨掺杂的二氧化钒微米管2，钨掺杂的二氧化钒微米管2的宽度为3～20微米、长度为260～430微米。分立排列的二氧化钒微米管2组成钨掺杂的二氧化钒微米管阵列。图3为实施例1合成产物正面观察得到的电子显微镜图，从图3可以看到，这些柱形的钨掺杂的二氧化钒微米管2的截面近矩形，基本上是中空的管状。在室温下使用RigakuSmartLabX射线衍射(XRD)仪对合成产物进行测试。通过将未经处理的整个产品置于样品台上，可以对制成的产品直接进行XRD检查。如图4所示，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：/n步骤一：按预先设定的掺杂比例，分别称取金属钒原材料和用于掺杂到金属钒中的掺杂材料；/n步骤二：将所述的金属钒原材料与所述的掺杂材料熔炼成均匀混合的块体；/n步骤三：将所述的块体切割为片状，得到掺杂的钒片；/n步骤四：采用电流加热的方法将所述的掺杂的钒片加热到1100～1900℃，保持10～20秒；/n步骤五：使所述的掺杂的钒片自然冷却到室温，在所述的掺杂的钒片表面得到由掺杂的二氧化钒微米管组成的掺杂的二氧化钒微米管阵列；所述的掺杂的二氧化钒微米管阵列立于所述的掺杂的钒片表面，所述的掺杂的二氧化钒微米管具有中空结构，截面呈近矩形。/n

【技术特征摘要】
20190624 CN 20191054875391.一种掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：按预先设定的掺杂比例，分别称取金属钒原材料和用于掺杂到金属钒中的掺杂材料；
步骤二：将所述的金属钒原材料与所述的掺杂材料熔炼成均匀混合的块体；
步骤三：将所述的块体切割为片状，得到掺杂的钒片；
步骤四：采用电流加热的方法将所述的掺杂的钒片加热到1100～1900℃，保持10～20秒；
步骤五：使所述的掺杂的钒片自然冷却到室温，在所述的掺杂的钒片表面得到由掺杂的二氧化钒微米管组成的掺杂的二氧化钒微米管阵列；所述的掺杂的二氧化钒微米管阵列立于所述的掺杂的钒片表面，所述的掺杂的二氧化钒微米管具有中空结构，截面呈近矩形。


2.根据权利要求1所述的掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述的熔炼为电弧熔炼。


3.根据权利要求1所述的掺杂的二氧化钒微米管阵列的制备方法，其特征在于，步骤四中，通以直流电或交流电对所述的掺杂的钒片进行加热。


4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春旺，李子剑，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31