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钒掺杂磷钨酸的合成及其结构与性能的研究

文豪  
【摘要】:杂多酸及其盐类是一种新型的电致变色材料,对杂多酸及其盐类研究较多的是其选择性催化、光催化、光致变色等方面,而对其电致变色性能的研究较少,此种材料可以写作“Polyoxometalate ",也可以简写成“POM”。以H3PW12O40·xH2O为例,其结构主要是Keggin结构具有TD对称性,它是由一个中间X04(X=p,Si)四面体,周围围绕4个M3010(M=W,Mo)八面体组成。 磷钨酸及其盐类是杂多酸化合物中研究较多的一个体系。磷钨酸薄膜的制备工艺主要包括溶胶制备和薄膜涂覆两大关键环节。磷钨酸的颗粒比较大,在多种有机溶液中可以分散为溶胶,常用的薄膜涂覆方法有旋转涂覆法和浸渍提拉法等。磷钨酸薄膜具有优异的物理化学性质,在化工催化、电子、电化学等许多领域有广泛的应用,由于其具有较强的氧化还原性,属于布鲁士酸,结构中钨原子的存在是其在电致变色薄膜领域的研究基础。 本文主要研究内容是,以磷钨酸为原料在乙醇溶剂中掺杂偏钒酸铵来提供钒源,采用水热法制备与磷钨酸的混合溶胶,以ITO玻璃为基板采用旋涂法制备掺杂钒源的磷钨酸薄膜。采用SEM、 XRD、 IR、 TG、 XPS、 UV-Vis、 AFM.交流阻抗谱、循环伏安法等多种测试手段对薄膜进行测试,研究薄膜的电致变色性能,探讨其电致变色机理。研究不同掺杂量,不同水热温度,不同热处理温度对薄膜性能的影响。找到最佳掺杂配比、最佳水热温度和最佳热处理温度,阐述其电致变色机理,通过循环伏安曲线测试显示了该薄膜具有较强的储电性能、较强的循环稳定性和较好的响应时间。 采用旋涂法制备的薄膜均匀致密,并且具有较高的平整度。通过对薄膜在250℃、350℃、450℃、550℃不同温度下热处理2h,然后分别测试其XRD图谱,得出薄膜在350℃热处理下的薄膜衍射峰峰强较大,且没有分解。SEM图像显示钒掺杂后所制备的薄膜与纯磷钨酸薄膜的相比,颗粒大小有较大差别,掺杂后的薄膜表面球形颗粒直径约为0.5μm,而纯的磷钨酸薄膜的表面颗粒直径约为3μm,颗粒的大小与薄膜性能有较大的影响。IR光谱显示,W-Oc-W的振动吸收峰向低波数方向发生了显著偏移,表明掺杂后的V取代了晶格中的部分W原子而形成V-Oc-W键。XPS结合能的变化表明,水热前掺杂后的溶胶很可能发生了氧化还原反应,水热后进一步发生了晶格重组,从而进一步证明了V-Oc-W键存在的可能性。 V的掺杂大大提高了薄膜的成膜性,增大了薄膜与基板的吸附能力,进而大大提高了薄膜的电容量、循环稳定性及致色效率,当掺杂比nv:nw=3:10,水热处理温度为80℃时,干凝胶薄膜电荷量的最大值可达120mC/cm2,并且显示出优良的循环可逆性,响应时间在6s。该薄膜在400nm附近处的光调制范围ΔT可达到30%。 当掺杂比nv:nw=3:10,水热处理温度为120℃时,所制备的薄膜的电容量在90mC/cm2,与80℃水热的后制备的薄膜相比有所降低,但是薄膜的循环稳定性有很大的提高,在0.05V/s的扫描速率下,50次循环后薄膜的电容量基本不变,响应时间在6s。而160℃水热温度后,制备的薄膜的循环稳定性有所下降。 综上所述,偏矾酸铵掺杂磷钨酸的溶胶在掺杂比nv:nw=3:10,水热处理温度为120℃,采用旋涂法制备的薄膜在350℃热处理之后,表现出较高的循环稳定性,较高的电容量,优良的响应时间。此双电层电容通过交流阻抗图谱模拟得出整个体系的模拟电路为R(RctQ1)Q2,在1V电压下薄膜的法拉第交流阻抗Rct=70Ω。


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