五氧化二钒纳米材料的制备及其性能综述

梁芃（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州 450001）

五氧化二钒纳米材料的制备及其性能综述

梁芃
（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州 450001）

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。

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，每个V原子与五个O原子形成5个V-O键，V原子处于畸变的［VO5］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。

（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，迗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。

2　制备方法

2.1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。

2.2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

芃梁（1993—），男，汉族，河南洛阳人，本科，研究方向：复合材料。