五氧化二钒纳米材料的制备及其性能综述

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【摘 要】五氧化二钒独特的物理和化学性能，广泛应用于传感器、致动器、锂离子电池、场效应管以及电致变色等领域。氧化钒纳米材料的性能与其微观结构有密切关系，本文综合了近年来有关五氧化二钒的制备技术及相关性能研究，从实验方案，相关性能，结构形貌的表征等方面进行系统的阐述。

【关键词】五氧化二钒 纳米材料 金属氧化物

1 引言

过渡金属氧化物V2O5为层状结构，且存在V+2、V+3、V+4和V+5等价态，使得V2O5广泛应用于催化、电致变色、电化学等领域，而纳米结构的V205更可用于场效应晶体管、传感器自旋电子器件和纳米光刻模板等。V2O5具有层状结构层内强的O-V-O-V键结合，案V原子与五个O原子形成5个V-O键，V原子处于畸变的[V05]四方锥的中间，O原子位于顶点处，[VO5]四方锥以共顶点和共边的方式相互连接，形成平面结构。其特殊的晶体和电子结构，赋予了不同的应用。

（1）电学性能及其应用；扶手椅型之字型结构的V2O5纳米管最大能隙分别为2.67eV/2.95eV，且管径缩小，能隙降低，趋于消失，对材料进行表面涂覆贵金属、氧化物纳米粒子或者半导体量子点等处理，还可提高其灵敏度和稳定性。V2O5的层状结构，非常适合于Li+的嵌入和脱出，Wu等利用碳球模板制备了Rattle-type构型的V2O5纳米结构，在锂离子电池方面展现出良好的性能。Dimitra Vernardou采用电化学沉积的方法，在氧化铝表面进行氧化钒电镀，测试了不同种基底材料包括FTO和Ag/AgCl等离子复合，进行了循环次数和电能储量等测试，研究发现钒系材料在多次循环后CV曲线几乎保持不变，同时在持久性也有良好的表现。如图（1-3）所示。

图1 图2

图 3

（2）光学及其应用；对V2O5纳米管进行电致变色、光学吸收、红外和剩曼光谱、光限幅特性等方面的研究，发现其在2.5eV以下有一个宽吸收带，其中心位于1.25eV处，还包含了三个单独的特征吸收峰，分别为0.87、1.25和1.76 eV，光谱吸收阈值为0.55 eV，这是V2O5纳米管的光学带隙随着层间距的增加，光学带隙发生红移，利用V2O5纳米线作为刻他模板制备的AuPd纳米金属线，电阻在lOIdl量级，I-V呈现线性关系，而且能制备纳来空隙，得到与金属纳来线相同的横截面。对V2O5纳米棒阵列进行电致变色研究，发现随着时间延长，波长在700nm左右的光的透过率降低，在3 V电压下，其响应速率要比薄膜快很多。而对V2O5纳米线的电致变色测试表明，波长为415 nm光的透过率改变达到37.4%，1000次循环后仍保持良好的变色特性，且变色时间只有6s，到了电致变色显示器件的要求。

（3）敏感性能应用；V2O5独特的层状通道结构，有利于气体分子的吸附和导通，进入活性位点，且钒价态较多，由此产生的电子传导变化大，作为一种n型半导体，可以在多种气体及可挥发性液体中发挥作用，敏感性能明显，是很好的气敏材料。

（4）催化剂应用；五氧化二钒主要用作接触法制硫酸的催化剂，也可做多种有机化合物氧化反应的催化剂，如蒽氧化为蒽醌等。还用于制造彩色玻璃和陶瓷，同时也可以用作对污染物的降解。因为其带隙在合适的范围，可期在光催化等领域发挥作用。

3 制备方法

3.1 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法用含高化学活性组分的金属醇盐或无机盐等作前驱体，将其溶于水或有机溶剂制成均质溶液，溶质在溶液中发生水解反应，生成纳米级的粒子并形成溶胶，溶胶又发生聚合形成凝胶，凝胶再经干燥和热处理，制备得到纳米粒子和所需材料。以聚破酸醋多孔过滤膜为模板，采用溶胶-凝胶法就制备得到了纳来级的菱形V2O5，其形状类似刷子上的棕。而将晶体V2O5溶于过氧化复的水溶液，也可形成凝胶，凝胶再经干燥就得到V2O5纳米粉。溶胶一凝胶过程所需的时间较长，通常需要几天或几周，最后凝胶在干燥过程中由于水或有机物的分解会逸出许多气体，导致凝胶收缩，对结构的稳定性产生不利影响。

3.2 水热与溶剂热法

通过加热创造一个高温高压的特殊物理化学环境，使前驱物在其中充分溶解，形成原子或分子生长基元，原子或分子经重新成核、生长，最终形成具有一定结晶形态的晶粒。而溶剂热法采用有机溶剂代替水作介质，过程与水热法类似。水热法制备V2O5纳米粉体，通常以水或水和有机溶剂的混合溶剂作为反应介质，以V2O5粉体、机酸盐或氧化祝凝胶作为前驱体，通过向体系中加入表面活性刻、控制溶液pH、水热温度、水热时间等方法来制备形貌各异的V2O5纳米材料。Fei等以偏钒酸铵和草酸为原料、二甲基亚讽和水作溶质，将装有混合溶液的反应釜180℃下保温24h，合成了由单晶纳米粒子组成的玫瑰状V2O5层状结构。Yu Wang等以偏钒酸铵为原料，用销酸调节溶液pH2-2.5，并在反应荃中置一倾斜放置的铁箱，反应签再在180℃下保温24小时，即得V2O5纳米带阵列。

3.3 气相沉积法

气相沉积法是一种或数种反应气体在加热、激光、等离子体等作用下发生物理或化学反应，最后经冷却、凝聚、长大形成纳米微粒的方法。气相沉积法可以分为物理气相沉积法和化学气相沉积法，物理气相沉积法又可分为热蒸发法、等离子体蒸发沉积、激光蒸发沉积、粒子溅射等，而制备V2O5纳米材料主要采用其中的热蒸发法。Candace K.Chan等将V2O5粉末放置于瓷坩埚中加热到690℃（超过熔点），蒸气由氧气运输至基板位置发生沉积，得到了单晶V2O5纳米带。Yan等通过将覆盖有Si圆片、不加催化剂的钒溶在环境条件下加热到660℃，保温6小时制备得到了细长的V2O5纳米带。Yan等将乙酰丙酮氧钒加热到600℃并在氧气流中保温20min（系统压力大约为0.1毫巴），得到了沉积在SnO2纳米线上的V2O5纳米纤维。

3.4 模板法

材料的多维结构和可控化制备已成为纳米科学的一个热门研究方向，不同形貌的材料展现出来不同的性能，纳米线纳米带以及多级结构正被日益广泛地研究。常用的模板主要有含有有序孔洞阵列的氧化铝模板和含有无序分布孔洞的高分子模板，此外还有金属模板等。Wang等电化学沉积的的聚碳酸酯多孔膜模板替换为ITO基板（ITO化物，涂有银膏），制备得到了管长约10 um，外直径约200 nm，内直径约100nm的V205纳米管阵列。下图（4-5）为Hao Bin Wu等利用碳球为模板获得的氧化钒纳米结构。

图4 图5

4 结论与展望

V2O5优异的性能和可能的应用引起了科学家极大的兴趣，目前对其研究已经扩展到信息能源材料健康等各领域。但其实验室进展工业化缓慢，且有众多亟待解决的问题，高纯钒的洗选和提取需要广大化工学者尽很大的努力，而人类下一个研究热点能源电池，钒系材料作为一种很高的电极材料，必将发挥很大的优势，又作为一种很好的前驱体，在其他钒酸盐或者复合材料制备中成为明星材料。

作者简介：梁M（1993―），男，汉族，河南洛阳人，本科，研究方向：复合材料。