固體所在二氧化釩紅外調控相變材料研究方麵取得新進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術研究部在M相二氧化釩(VO2(M))熱敏材料的製備和紅外調控研究方麵取得新進展 ，成功製備了具有優異可見光透過率和近紅外光調控能力的VO2(M)薄膜(Tlum=62.29%, DTsol=14.91%) 。相關成果以“Kirkendall effect induced ultrafine VOOH nanoparticles and its transformation into VO2(M) for energy-efficient smart window”為題發表在國際期刊Materials Horizons (Mater. Horiz., 2024, 11, 1098) 。      VO2(M)是一種典型的熱致相變材料 ，在相變時可發生一階可逆的半導體-金屬相變 ，同時伴隨光學和電學性能的突變 。VO2(M)的相變溫度為68 ℃ ，相變前材料對紅外光表現出高透過性 ，而相變後紅外光透過率呈現截止狀態 ，同時電阻率會發生3~5個數量級的突變 。基於其相變時的光電特性 ，VO2(M)在節能窗戶 、光電開關、紅外隱身 、可重構濾波器 、溫度/應力傳感器等領域有著廣泛的應用前景 。

釩是一種過渡金屬元素 ，對應的釩氧化物種類和價態十分豐富 ，VO2也有近十種同質異構體 ，這為特定相結構VO2(M)材料的高純度製備帶來很大困難 ，特別是高質量VO2(M)納米顆粒的製備一直是研究者關注的焦點 。水熱法具有成本低廉 、可大麵積製備且不依賴基底等優點 ，並且在調控釩氧化物化學計量比方麵具有明顯的優勢 。但目前水熱法一步合成VO2(M)還存在水熱溫度高(＞240 ℃) 、晶粒尺寸大 、紅外調控不佳等缺點 。      為此 ，研究人員發展了水熱和熱處理相結合的方法 ，製備了高質量VO2(M)納米粉體 。首先采用相對溫和的水熱條件製備了超細VOOH納米顆粒(~ 24.92 nm)，納米顆粒的形成由Kirkendall擴散過程主導 。在此基礎上 ，對VOOH納米顆粒進行熱處理 ，獲得了高純度VO2(M)納米顆粒(~ 38.37 nm) ，同時研究了不同退火時間下VO2顆粒相變溫度和光學性能變化 。為進一步提高VO2的環境耐受性 ，製備了VO2@SiO2核殼結構 ，結合理論模擬 ，探究了殼層厚度對其光學性能的影響 。所製備的VO2@SiO2/PVP薄膜表現出了良好的熱致變色性能 ，在可見光透過率為62.29%時 ，其太陽光調製效率達到14.91% 。

圖1. (a) Kirkendall效應製備超細VOOH示意圖 ；(b) VOOH和(c) VO2(M)的SEM圖像 ；(d) VO2@SiO2的TEM圖像 ；(e) VO2@SiO2/PVP薄膜的光學性能數據 ；(f) VO2基柔性薄膜 ；(g) 熱致變色性能對比雷達圖 。

為了抑製VO2(M)在高溫和長時間退火下顆粒生長和團聚的現象 ，引入發煙二氧化矽(FS)作為空間阻隔劑 ，同時 ，研究了聚合物輔助的多級弱空間限域效應對VO2(M)複合薄膜光學性能的影響 。結果表明 ，FS的加入除了抑製了晶粒長大 、提升了熱致變色性能 ，還賦予薄膜多孔屬性和較強的疏水能力 ，這對熱敏薄膜的多功能實際應用具有重要意義(Ceram. Int., 2024, 50, 7) 。

圖2. (a-b) FS限域退火的VO2(M)的TEM圖像 ；(c) 聚合物輔助退火的VO2(M)的SEM圖像 ；(d) 不同厚度薄膜的高低溫透過率曲線 ；(e-f) 聚合物輔助退火的VO2(M)薄膜的疏水性能測試 ；(g-h) VO2@SiO2的TEM圖像和能譜分析 ；(i) 熱致變色性能對比 。

上述工作得到了國家自然科學基金 、合肥物質院院長基金 、貝內克-長順汽車內飾材料有限公司等項目的支持 。

文章鏈接 ：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01393f 

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.054