Hidroterminis vo2 nanoplatų termochrominių plėvelių augimas ant stiklo, pasižymintis dideliu matomumu mokslinės ataskaitos

Hidroterminis vo2 nanoplatų termochrominių plėvelių augimas ant stiklo, pasižymintis dideliu matomumu mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Medžiagų chemija
  • Nanoskalės medžiagos
  • Šio straipsnio pataisa buvo paskelbta 2016 m. Rugpjūčio 12 d

Šis straipsnis buvo atnaujintas

Anotacija

Termochrominių vanadžio dioksido (VO 2 ) plėvelių paruošimas ekonomiškai yra naudingas norint išmaniuosius langus naudoti. Čia mes pranešėme apie sėkmingą savaiminio hidrofoterminio proceso metu paruoštų VO 2 nanoplateso plėvelių paruošimą ant stiklo, kuriame yra TiO 2, buferio. VO 2 plėvelės, sudarytos iš ant pagrindo stovinčių trikampio formos plokščių, pasižymi savaime sukurta porėta struktūra, kuri palaiko saulės šviesos perdavimą. Plėvelių akytumas lengvai kontroliuojamas keičiant pirmtakų tirpalų koncentraciją. Puikios termochrominės savybės stebimos esant 70, 3% matomos šviesos pralaidumui ir saulės moduliuojančiam efektyvumui iki 9, 3% VO 2 plėvelėje, kurios akytumas yra ~ 35, 9%. Šis darbas rodo daug žadančią techniką, kaip skatinti komercinį VO 2 panaudojimą išmaniuosiuose languose.

Įvadas

Energijos sunaudojimas gyvenamuosiuose, komerciniuose ir kituose žmogaus sukurtuose pastatuose sunaudoja beveik 40% viso pasaulyje suvartojamos energijos, todėl tai yra didžiausias energijos suvartojimo komponentas 1 . Sparčiai išaugęs oro kondicionavimo įrenginių poreikis apsunkina šį didelį energijos suvartojimą. „Low-E“ langas, pasižymintis dideliu infraraudonųjų spindulių atspindžiu, buvo plačiai naudojamas komerciniuose pastatuose siekiant taupyti energiją. Tačiau saulės spinduliuotės atspindys neturi reagavimo į aplinkos temperatūros pokyčius, todėl jo taikymas skirtinguose rinkos reikalavimuose yra ribotas 1, 2 . Išmanieji langai su termochrominėmis plonasluoksnėmis dangomis ant statybinio stiklo yra efektyvus būdas modifikuoti saulės energiją, perduodamą į vidaus patalpas.

Gerai žinoma, kad vanadžio dioksidas (VO 2 ) rodo grįžtamąjį metalo izoliatoriaus fazinį perėjimą (MIT), esant fazės pereinamosios temperatūros ( T c ) 68 ° C 3 . Kai temperatūra žemesnė nei T c, VO 2 yra izoliatorius, turintis monoklininę struktūrą ( M fazė, erdvės grupė P 2 1 / c), kuri yra skaidri infraraudonųjų spindulių (IR). Temperatūrai aukštesnei nei Tc , VO 2 virsta metaline būsena, turėdama rutilo struktūrą ( R fazė, erdvės grupė P 4 2 / mnm), kuri atspindi IR spinduliuotę ir palaiko matomos šviesos skaidrumą 4 . Dėl tokio MIT perėjimo VO 2 tampa patrauklia medžiaga išmaniesiems langams 5 . Siekiant skatinti VO 2 pagrindu sukurtų išmaniųjų langų pritaikymą, VO 2 dangoms ant skaidrių išmaniųjų langų dangų padengti buvo naudojami įvairūs metodai. Tačiau tai, kaip pagerinti matomos šviesos pralaidumą mažai pakenčiant saulės moduliacijos galimybėms ir sumažinti didelio masto dangos kainą, yra du pagrindiniai tyrinėtojų uždaviniai. Remiantis nusodinimo iš garų metodais 6, 7, daugiasluoksnė struktūra (stiklas / TiO 2 / VO 2 / TiO 2 / VO 2 / TiO 2 ) 8, daugiafunkcinis TiO 2 ( R ) / VO 2 ( M ) / TiO 2 ( A ) 9 ir antirefleksinės (AR) dangos ant VO 2 plėvelių 10 buvo sukurtos taip, kad atitiktų efektyvumą. Tačiau šie metodai pasirodė esąs sudėtingi ir brangūs dėl sunkumų kontroliuojant kintamąjį V jonų valentingumą ir brangią įrangą.

Neseniai tirpalais pagrįsti metodai, skirti padengti VO 2 dangas ant pagrindo, buvo plačiai išnagrinėti, nes jie yra pigūs ir keičiami. Cao ir kt. ir Kang et al. naudojo tirpalo metodus (padengtus džiovinant užšaldytu džiovinimu ir sugriebimą, dengtus sol-geliu, atitinkamai, 11, 12 ), kad būtų gautas didesnis optinis efektyvumas ir didelis saulės moduliacijos gebėjimas. Jų darbas parodė, kad derinant porėtumą VO 2 plėvelėse, buvo įmanoma įvykdyti praktinio naudojimo reikalavimus. Tačiau, norint apriboti jų naudojimą pramonėje, šių gaminių metu reikėjo atlikti sudėtingus kristalizacijos procesus aukštoje temperatūroje (500–550 ° C valandas).

Palyginti su šiais tradiciniais tirpalais grįštais nusodinimo metodais, hidroterminis metodas turi daug privalumų, tokių kaip lengvas įgyvendinimas pramoniniu mastu, kontroliuojamas poringumas ir kristalų dydis, apdorojimas žemoje temperatūroje, galimybė naudoti daugybę įvairių substratų ir ekologiškas. Hidroterminis metodas buvo naudojamas auginant aukštos kokybės ZnO plėveles 13, TiO 2 plėveles 14 ir kitas funkcines pereinamojo metalo oksido plonas plėveles 15, 16 . Kristalų morfologiją, ypač suderinamą plėvelių poringumą, galima valdyti sintezės procesais, kurie daro didelę įtaką funkcinėms savybėms 13 . Ankstesniuose tyrimuose hidroterminė technika ir vėlesnis terminis apdorojimas buvo naudojami įvairių VO 2 ( M ) nanomedžiagų 17, 18 sintezei, o VO 2 pagrindu sukurta kompozicinė membrana buvo paruošta maišant VO 2 ( M ) nanopulverius su skaidriu polimeru (pvz., VO 2). / SiO 2 šerdies apvalkalas 19, VO 2 / ATO / polimeras 20 ir polimerinis nusodinimas 21, 22, 23, 24 ). Tačiau apie hidroterminio metodo naudojimą plonoms VO 2 ( M ) plėvelėms ant stiklo paruošti išmaniesiems langams nėra.

Mūsų žiniomis nėra lengva paruošti aukštos kokybės metalo oksido ploną plėvelę tiesiai ant stiklo hidroterminiu metodu25. Polistiškumo ir kristalų orientacijos substratai paprastai buvo naudojami auginant smulkiai organizuotas plonas plėveles 26, 27, 28 . Naujausias mūsų darbas parodė, kad aukštos kokybės epitaksinės VO 2 plonos plėvelės gali būti auginamos safyro substratuose hidroterminiu metodu 29 . Palyginti su brangiu vieno krištolo substratu, ant stiklo paruoštas buferinis sluoksnis yra ekonomiškas būdas užauginti smulkias plėveles. Pavyzdžiui, Podlogar et al. paruošti ZnO buferio sluoksniai ant stiklo, kad išaugtų labai lipnios kristalinės ZnO plėvelės 13, ir Masuda et al. ant stiklo išaugo super hidrofilinės TiO 2 plonos plėvelės su SnO 2 : F sluoksniu (FTO) 30 .

Čia mes sėkmingai paruošėme VO 2 išmaniuosius langus, naudodamiesi lengvu hidroterminiu procesu, po kurio sekė trumpas terminis apdorojimas. Dėl gautų VO 2 dangų aukštos kokybės ir akytumo plėvelės pasižymi puikiomis termochrominėmis savybėmis, pasižymi geru saulės moduliavimu ir dideliu matomos šviesos pralaidumu. Norėdami užauginti plonas VO 2 plėveles ant stiklo, TiO 2 buvo pasirinktas kaip buferinis sluoksnis, nes TiO 2 plėvelė pasižymi stabiliomis šiluminėmis savybėmis, dideliu skaidrumu matomoje šviesoje ir lengvai paruošiama 9, 31 . VO 2 plėvelių poringumas buvo lengvai kontroliuojamas koreguojant reakcijos tirpalo koncentraciją. Galimas augimo mechanizmas buvo aptartas remiantis pH vertės ir skirtingų pirmtakų tirpalų įtakos augimo procesui tyrimu. Siūlomas paprastas, nebrangus ir lengvai keičiamas procesas skatintų VO 2 pritaikymą išmaniuosiuose languose.

Eksperimentinis

Eksperimento skyrius

Visi eksperimente naudojami reagentai buvo grynai analitiškai gauti ir įsigyti iš Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Vanadyl oksalato vandeninis tirpalas buvo naudojamas auginant VO 2 plonas plėveles stikliniuose substratuose hidroterminiu metodu. Prieš auginant VO 2 plėveles, TiO 2 buferiai pirmiausia buvo nusodinami ant amorfinio stiklo pagrindo, dengiant verpimo būdu. Norint gauti jo kristalizaciją ir sukibimą, buvo atliktas vidutinio sunkumo (400 ° C) temperatūra 32 . Išsamus TiO 2 buferių paruošimo procesas yra toks: pirmiausia kambario temperatūroje į etanolį (5 ml) įpilama tetrabutilatitanato (C 16 H 36 O 4 Ti, 10 ml) ir maišoma 30 min. Tada tirpalas perpilamas į sumaišytą azoto rūgšties (3 ml), dejonizuoto vandens (6 ml) ir etanolio (80 ml) tirpalą ir maišomas 1 valandą. Galiausiai buvo gautas skaidrus ir stabilus TiO2 sol. Solis 30 sekundžių greitis buvo padengtas 3500 aps / min greičiu ant stiklinės, kurios skersmuo 2 coliai, ir ultragarsu valytas 10 minučių acetono, 2-propanolio ir dejonizuoto vandens tirpale, kurio tūrio santykis buvo 1: 1: 1. Padengtas TiO2 pirmtako sluoksnis buvo kaitinamas 400 ° C temperatūroje 1 valandą, kad susidarytų smulkiagrūdis TiO2 sluoksnis. Stiklas su TiO 2 buferiais buvo naudojamas hidroterminiam VO 2 plėvelių augimui. Hidroterminiame procese vanadilo oksalato pirmtakai buvo paruošti ištirpinant V 2 O 5 (0, 182 g) vandeniniame tirpale (50 ml), kuriame yra oksalo rūgšties (1, 97 g), esant 70 ° C. Vandeninis tirpalas praskiedžiamas į 500 ml dejonizuotu vandeniu, gaunant 4 mmol / l tirpalą, kurio pH vertė ~ 2, 4. PH reikšmė buvo kontroliuojama NH 4OH. Vanadilo oksalato vandeninis tirpalas (60 ml) perpilamas į teflonu padengtą autoklavą (100 ml). Cheminė reakcija vyko 230 ° C temperatūroje elektrinėje krosnyje. Po 4 valandų kaitinimo autoklavas natūraliai buvo atšaldomas krosnyje. TiO 2 sluoksnio pusė buvo padengta vienoda plėvele. Vaflių mėginiai buvo išvalyti dejonizuotu vandeniu ir alkoholiu ir išdžiovinti azotu. Termochrominiai VO 2 langai buvo gauti atšildžius išaugusias VO 2 plėveles trumpoje atkaitinimo krosnyje 400 ° C temperatūroje 60 s, esant 4 * 10 4 Pa orui. Jei atskirai nenurodyta straipsnyje, visi čia naudojami pavyzdžiai yra paruošti, kaip minėta aukščiau.

Instrumentacijos apibūdinimas

Reakcijos produkto morfologija buvo ištirta naudojant skenuojančią elektroninę mikroskopiją (SEM, Hitachi S-4800). TiO 2 ir VO 2 plėvelių fazinis identifikavimas buvo atliktas naudojant rentgeno spindulių difrakciją (XRD, Bruker-AXS difraktometras, D8 modelis ANVANCE) su Cu-Kα spinduliuotės šaltiniu, Ramano spektrus (HR800, sužadinimo bangos ilgis: 633 nm, lazerio galia). : 1 mW) ir perdavimo elektronų mikroskopu (TEM, FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN). Cheminis vanadžio jonų valentingumas buvo matuojamas XPS (PHI QUANTERA-II SXM) su Al-Ka spinduliuotės šaltiniu (1486, 6 eV). Akytumas, pagrįstas SEM atvaizdais, buvo apskaičiuotas naudojant „Image-Pro Plus“ (IPP), kad būtų galima palyginti pilkos spalvos pikselius plote, kurį užima VO 2 nanoplatesai ir eksponuotos TiO 2 plėvelės. Mėginių optinio pralaidumo spektrai esant normaliam dažniui nuo 300 iki 3000 nm ir buvo išmatuoti naudojant Shimadzu UV-3600 UV-VIS-NIR spektrofotometrą su kietųjų dalelių perdavimo priedu.

Rezultatas ir diskusija

1a paveiksle parodyti polikristalinių TiO2 buferių, kurių grūdelių dydis yra nuo 25 iki 75 nm, morfologiniai vaizdai. Visas TiO2 XPS spektras (1b pav.) Atskleidžia aukšto grynumo komponentą. Gauta VO 2 plėvelė sudaryta iš nanoplakių, kurių vidutinis storis yra ~ 40 nm, o aukštis - 400 nm, kurie reguliariai auginami prieš substratus (1c, d pav.). Arti substrato yra mažesni ir labiau atsitiktinai orientuoti nanoplates, panašiai kaip ir ankstesnėje ataskaitoje apie ZnO plėvelių augimą 33 . Kaip nustatyta XRD (1e pav.), Būdingos smailės sutampa su M-VO2 monoklininėje struktūroje (JCPDS Nr. 65-2358) ir A-TiO2 anatazės fazėje (JCPDS Nr. 21-1272). Puiki (020) VO 2 smailė rodo, kad VO 2 plėvelių augimas yra labiau nukreiptas į substratus. Atsitiktinai orientuoto VO 2 polikristalinio mėginio (020) difrakcijos intensyvumas yra tik ~ 2, 4% stipriausios smailės (011). Pageidautina VO 2 plėvelių orientacija patvirtina išvadą, kad VO 2 nanoplates yra reguliariai auginami ant substratų, kaip parodyta VO 2 plėvelių skerspjūvio struktūroje 1d pav. TiO2 buferių XRD schema rodo (004) pirmenybę teikiančią anatazės TiO2 orientaciją. Yra žinoma, kad anatase-TiO 2 (112) ir rutilo-VO 2 (200) / (020) glaudžiai suplanuotos plokštumos yra lygiavertės 34, todėl galime daryti išvadą, kad tarp anatazės TiO 2 ir grotelių yra ryšys. rutilo VO 2 su A -TiO 2 (112) // R -VO 2 (200) / (020). Tokiu atveju VO2 galima auginti tinkamiausiu orientacijos būdu, vadovaujantis A -TiO2 buferiu, hidroterminio augimo temperatūroje (230 ° C). M -VO 2 yra polimorfinė fazė, transformuota iš R -VO 2 per mažą iškraipymą 35 . R -VO 2 {200} plokštumos atitinka (020) ir (002) plokštumas M -VO 2 fazėje 36 . Tam, kad būtų teikiama pirmenybė (004) anatazės TiO2 orientacijai, kaip nustatyta XRD, M -VO 2 orientacija turėtų būti (011) M, atsižvelgiant į kristalų iškraipymą, kurį sukelia TiO 2 ir VO 2 neatitikimas. Kampas tarp (112) ir (004) A -TiO 2 yra ~ 61 ° ir nėra gerų grotelių atitikimo krypčių kitomis kryptimis, todėl plokštelių pavidalo VO 2 nanokristalų augimas stebimas 1c pav. d. Nors VO 2 nanoplatesai rodo stiprią (020) M orientaciją, jis turėtų būti susijęs su kitomis TiO 2 orientacijomis, ty (110) arba (112) A -TiO 2 orientacijomis. Esant A -TiO 2 (110) arba (112) orientacijai, VO 2 nanoplates gali augti statmenai arba lygiagrečiai substratui. Atitinkamą VO 2 nanoplakų augimą galima pastebėti 1c pav., D. (110) -orientacijos į TiO2 buvimą patikrina TEM 2 pav.. XPS matavimai buvo atlikti siekiant ištirti V jonų oksidacijos būsenas plonose VO 2 plėvelėse (1f pav.) 37 . Parodyta, kad plonose VO 2 plėvelėse yra daliniai V 5+ jonai kartu su V 4+ jonais. V 5+ jonų buvimas gali būti siejamas su paviršiaus oksidacija atkaitinimo procese arba saugojimu ore ir, kaip įrodyta, egzistuoja tik paviršiuje 5 .

Image

a ) Kompaktinės TiO 2 plonos plėvelės sudarytos iš lygiakraščių grūdų, kurių dydžio pasiskirstymas yra nuo 25 iki 75 nm. ( b ) XPS visas paruoštos TiO 2 plonos plėvelės spektras. ( c, d ) gautų VO 2 plonų plėvelių SEM atvaizdai ir atitinkama skerspjūvio morfologija, atskleidžiant nanoplato struktūrą. e ) plonų VO 2 plėvelių, palyginti su TiO 2, plonais plėvelėmis XRD, rodančios monoklininės VO 2 augimą antanazės TiO 2 fazėje. f ) VO 2 plonų plėvelių XPS spektras.

Visas dydis

Image

( a, b ) VO 2 / TiO 2 plėvelių ant stiklinio pagrindo skerspjūvio TEM atvaizdai, ( a ) parodo VO 2 nanoplakų formą, b ) VO 2 grūdai, išauginti ant plonos TiO 2 plėvelės, ( c, e ) Aukštos skiriamosios gebos TEM (HRTEM) vaizdai, paimti iš skirtingų sluoksnių, pažymėti kvadratais ( b ). ( d, f ) FFT modeliai atitinka atitinkamai ( c ) VO 2 nanoplatesą ir ( e ) ploną TiO2 plėvelę.

Visas dydis

Norint suprasti daugiau informacijos apie orientuotą VO 2 ir TiO 2 sluoksnių augimą, buvo paruoštas ir TEM ištirtas VO 2 / TiO 2 plėvelių skerspjūvio pavyzdys. TEM vaizdai (2a, b pav.) Rodo gerai sujungtą 3 sluoksnių struktūrą. TiO2 plonos plėvelės storis yra ~ 12, 8 nm (2b pav.). Stebėjimo srityje yra du TiO 2 grūdai, ir jie turi skirtingą orientaciją, kaip parodyta HRTEM vaizduose S1 pav. (Pagrindžianti informacija). VO 2 nanoplatesai rodo 2a pav. Į trikampį panašią formą, kuri stovi ant pagrindo. HRTEM vaizdai, paimti iš dviejų sluoksnių 2c pav., E rodo skaidrų gardelės pakraštį, nurodantį gerą VO 2 ir TiO 2 plėvelių kristališkumą. Tarpinis plokštumos atstumas 0, 331 nm 2c pav. Atitinka monoklinikos VO 2 (1–10) atstumą (2–10 pav.). Tarpinio plokštumos tarpai 0, 270 nm ir 0, 358 nm 2e pav. Priklauso atitinkamai anatazės TiO 2 (−110) ir (011) plokštumoms (2f pav.). Esant dabartinėms A -TiO 2 ir M -VO 2 orientacijoms, kaip parodyta 2 pav. (C – f), lygiavertės plokštumos, ty A -TiO 2 (112) ir M -VO 2 (002) / (020) nėra suderinamose orientacijose. Tačiau dešiniajame A -TiO2 grūdelyje, kaip parodyta 2 pav. B) ir Fig. S1 (c), orientuojamasi taip, kad kairiosios pusės grūdai sukasi apie 15 ° pagal laikrodžio rodyklę. Šiuo atveju M -VO 2 (002) plokštuma yra lygiagreti A -TiO 2 (112) dešinės pusės grūdo plokštumai, nurodant, kad VO 2 augimas 2 pav. Yra vadovaujamas kairiosios TiO 2 . Atitinkamas kristalografinis VO 2 ir A- Ti02 santykis schematiškai parodytas S2 pav. TEM analizė rodo orientuotą VO 2 augimą buferiniu TiO 2 .

Norint ištirti galimą VO 2 plėvelių augimo mechanizmą, buvo suprojektuoti valdomi hidroterminiai procesai. Buvo nustatyta, kad skirtingi pirmtakų tirpalai ir pH vertės yra pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos reakcijos procesui. Buvo tiriamas pirmtakų vaidmuo hidroterminiame VO 2 plėvelių paruošimo procese, ty pirmtakų tirpalai, gauti iš V (OH) 2 NH2, ištirpinto HNO 3 38, hidrazino hidratas, sureagavęs su VOSO 4 39, NH 4 VO 3 su 1, 3-propilenglikolis, redukuotas H2S0440, ir V2O5, ištirpintas oksalato rūgšties 41 tirpale. Nustatyta, kad VO 2 plėveles galima auginti tik vanadilo oksalato tirpale, o tai rodo, kad oksalato rūgšties tirpalas yra tinkamas tirpiklis plonoms VO 2 plėvelėms formuoti.

Vanadilo oksalato tirpalo pH vertė buvo moduliuojama pridedant NH4OH lašelių. 3 paveiksle (a – e) parodyti VO 2 plėvelių, paruoštų esant skirtingoms pH vertėms, SEM vaizdai. VO 2 nanoplatų morfologija smarkiai keičiasi didėjant pH vertėms. Akivaizdu, kad VO 2 augimui didelę įtaką daro pH vertė. Esant pH 3, 46, VO 2 nanoplazmos, pavaizduotos 3a pav., Yra dvigubai storesnės nei auginamos esant pH 2, 4 (1c pav.), Todėl nanodalelės tampa panašesnės į nanododus (ilgis buvo ~ 300 nm). Kai pH vertė pakyla iki 4, 56, nanodalelės tampa trumpesnės (ilgis 250 nm) ir platesnės (3b pav.). Kadangi PH vertė lygi 6, 21, nanodumbliai išnyksta vietoje stačiakampio formos grūdelių, atsitiktinai pasiskirstančių ant plėvelės (3c pav.). Esant pH 7, 45, netaisyklingos formos dalelės laisvai pritvirtinamos prie substrato. Esant 8, 12 PH, didesnis substrato plotas yra veikiamas. Be to, eksperimentai parodė, kad substrate nieko negalima auginti, kai pH vertės yra ≥ 8, 5. Dobsonas ir kt. ištyrė mažos molekulinės masės (LMW) karboksirūgščių adsorbciją TiO 2 vandeniniuose tirpaluose, naudodamiesi infraraudonųjų spindulių spektroskopine analize, ir pranešė, kad dikarboksirūgštys (tokios kaip oksalo rūgštis) adsorbuojasi stipriai TiO 2 42 . Šį rezultatą pademonstravo Mendive et al. , kuris pabrėžė, kad pH vertė vaidina svarbų vaidmenį adsorbcijos procese 43 . Stipri organinių oksalatų rūšių adsorbcija TiO 2 įvyko tik tada, kai pH vertė buvo mažesnė nei IEP (izoelektrinis taškas; pH vertė, kurią tam tikra molekulė ar paviršius neturi, neturi grynojo elektrinio krūvio) 26, 44, 45 . Bandura ir kt. ištyrė H 2 O adsorbciją TiO 2 ir pranešė, kad H 2 O adsorbcijai ant TiO 2 paviršiaus H + ir OH - susidarys teigiamas (-OH + ) ir neigiamas (-Ti-OH - ) paviršius svetainių, atitinkamai 46 . Kaip praneša „Parks 47“, TiO 2 IEP yra beveik 6, 2. Kai PH yra mažesnis nei 6, 2, paviršiuje turėtų dominuoti teigiamo krūvio vietos, tuo tarpu neigiamo krūvio vietos būtų daugumoje. Adsorbcijos afinitetas greitai sumažėjo, kai pH vertė buvo didesnė nei IEP. Nors oksalato rūgščių koncentracija ir metalų katijonų buvimas tirpale gali paveikti IEP, priklausomybė nuo adsorbcijos pH nesikeičia. Tai rodo, kad organinių anijonų adsorbcijai reikalingas protonuotas TiO 2 plėvelių paviršius. Mūsų eksperimentiniai skirtingų vanadino rūgšties tirpalų rezultatai ir pH vertės atitinka nurodytas organinių rūgščių tirpalų adsorbcijos ypatybes, rodančias, kad VO 2 ant cheminio tirpalo augimas TiO 2 yra priklausomas nuo adsorbcijos. TiO 2 buferis yra pagrindinis adsorbcijos ir atitinkamai sąsajų reakcijų cheminio tirpalo aplinkoje veiksnys, nes jo paviršiaus cheminė būsena esant žemai pH reikšmei palengvina karboksilo grupės adsorbciją.

Image

( a - e ) VO 2 plonų plėvelių SEM atvaizdai, išaugę skirtingos PH vertės (a, 3, 46; b 4, 56; c, 6, 21; d, 7, 45; e, 8, 12). Vaizdo įterpimas ( e ) yra didelis padidinimas, mastelio juosta yra 300 nm. f ) reakcijos tirpalo su skirtinga PH verte nuotraukos, tirpalo spalva keičiasi nuo šviesiai mėlynos iki tamsiai rudos spalvos, todėl vanadilo oksalatas pamažu mažėja ir ilgainiui išnyksta. g ) VO 2 plėvelės pagaminimo po adsorbcijos ir dehidratacijos proceso schema.

Visas dydis

Oksalo rūgšties tirpale galima paviršiaus reakcija būtų tokia: 1) vanadilo oksalato rūšys buvo adsorbuotos TiO2 buferyje. Yra žinoma, kad oksalatas gali sudaryti organinių metalų katijonų kompleksus per 48 karboksilo grupės koordinavimo galimybes. Tokiu atveju neigiamai įkrauti organiniai vanadžio kompleksai ([(VO) x (C 2 O 4 ) y ] x − y ) turėtų būti adsorbuojami teigiamo paviršiaus vietose per karboksilo grupę. 2) Vykstant vandens susitraukimo reakcijai tarp adsorbuoto vanadilo oksalato ir kaimyninių vandenilio jonų ant protono paviršiaus, VO 2+ buvo adsorbuotas TiO 2 substrate, o po to kristalizuotas į VO 2 plonas plėveles. Augimo proceso schema parodyta 3g pav. Aukščiau paminėti skirtingi vanadžio pirmtakų tirpalai neturi karboksilo grupės, todėl nėra veiksmingų rūšių, kurios atliktų tiltelio tarp vanadžio jonų ir TiO 2 plonų plėvelių, turinčių teigiamą krūvį, paviršių, kad būtų auginamos labai lipnios VO 2 plėvelės.

Ištirtos paruoštų VO 2 plėvelių optinės moduliacijos savybės, siekiant įvertinti jų galimybes išmaniesiems langams. VO 2 pritaikymas išmaniajame lange yra technologinis uždavinys - padidinti maksimalų matomą pralaidumą ( T-vis ) iki priimtinos vertės (> 60%), išlaikant aukštą saulės moduliavimo efektyvumą (

Image
) iš VO 2 49 . Norint pagerinti „ T-vis“ , vienas iš būdų yra pagaminti porėtas plėveles 6, 12, 49, o kitas būdas - uždėti antirefleksinę plėvelę arba sumažinti ištisinių VO 2 plėvelių storį iki mažesnio kaip 80 nm 12, 24 . Šiame darbe stovinčio nanoplato struktūra palengvina saulės šviesos įsiskverbimą, ty yra tinkama pasiekti aukštą T-viz . Gautos VO 2 plėvelės iš tikrųjų yra savaime sukurtos porėtos plėvelės, kurios užtikrintų puikią termochrominę savybę. Cao ir kt. pranešė apie nanoporinę VO 2 plėvelę, pasižyminčią geromis termochrominėmis savybėmis, didžiausiąja T-vis ir
Image
buvo atitinkamai 75% ir 7, 9% 11 . Mūsų darbe T-vis gali būti lengvai reguliuojamas keičiant VO 2 plėvelių poringumą, praskiedžiant vanadilo oksalato koncentraciją tirpale (S3 pav.). VO 2 plėvelių poringumas ant stiklo didėja mažėjant vanadilo oksalato koncentracijai. Palyginus VO 2 nanoplakų ir paveiktų TiO 2 plėvelių užimtą plotą, apskaičiuotos VO 2 plėvelių, išaugintų skirtingos koncentracijos vanadilo oksalato tirpaluose, poringumas parodytas 4a pav. Mėginiai žymimi taip: # 1, 0, 73 mmol / L; # 2, 1, 1 mmol / L; # 3, 1, 5 mmol / L; # 4, 2, 2 mmol / L; # 5, atitinkamai 4, 0 mmol / L (kaip 1c pav.). 1 pavyzdžio akytumas yra didžiausias - 54, 9%, tai rodo, kad galima pasiekti didesnį T-vis .

Image

a ) Koncentracijos poveikis VO 2 plonų plėvelių, juodo ir rausvo rutulio poringumui rodo atitinkamai koncentraciją ir poringumą. b ) skirtingų VO 2 plonų plėvelių pralaidumo spektrai nuo 300 nm iki 3000 nm esant 30 ° C (vientisa taškų linija) ir 100 ° C (vientisa linija), į dešinę įterptos nuotraukos iš viršaus į apačią atitinka skirtingus pavyzdžius: 1, 2, 3, 4, 5. c ) įvairių plonų VO 2 plėvelių pralaidumo šiluminės histerezės kilpos, esant 2000 nm bangos ilgiui. Raudona rodyklė ir juoda rodyklė atitinkamai rodo šildymą ir vėsinimą, o pereinamosios temperatūros buvo apibrėžtos kaip histerezės kilpų centras. d ) tipinių mėginių, turinčių skirtingą pirmtakų koncentraciją, optinės savybės. (Kiekvieno mėginio koncentracija, kaip nurodyta žemiau: # 1, 0, 73 mmol / L; # 2, 1, 1 mmol / L; # 3, 1, 5 mmol / L; # 4, 2, 2 mmol / L; # 5, 4, 0 mmol / L) ).

Visas dydis

Tokios pačios sukurtos porėtos nanostruktūros pasižymi gera termochrizmo savybe (derindamos matomos šviesos pralaidumą ir saulės moduliacinį efektyvumą). 4b paveiksle parodytas porėtų VO 2 nanoplates plonų plėvelių, priklausomų nuo temperatūros, pralaidumas. Dešiniai intarpai yra atitinkamos dangos nuotraukos. Skirtingų VO 2 plonų plėvelių pralaidumo histerezės kilpos, esant 2000 nm bangos ilgiui, parodytos 4c pav., T c ir histerezės kilpų plotis (Δ T ) # 5 yra atitinkamai 70, 1 ° C ir 12, 9 ° C. Tiek T c, tiek Δ T didėja didėjant plonų plėvelių poringumui, todėl laikoma, kad grūdų netolygumas plonose plėvelėse lemia, kad grūdų ribos riboja MIT sklidimąsi, todėl gaunamas didesnis T c ir platesnis Δ T 50 . T-vis ,

Image
ir beveik infraraudonųjų spindulių (NIR) perjungimo efektyvumas (
Image
), parodyta 4d pav., T-viz monotoniškai didėja, atsižvelgiant į numatytą plonų plėvelių poringumą. Kol
Image
parodytas plokščias pavyzdys Nr. 2 # 4. Malonios termochrominės savybės stebimos # 2 pavyzdyje, kurio poringumas yra 35, 9%, T-vis vertė yra net ~ 70, 3%, esant
Image
iki 9, 3%. Rezultatai yra dar geresni nei periodiškai ir periodiškai porėtų VO 2 (M) plėvelių, pagamintų sudėtingų cheminių ir fizikinių procesų būdu, 6, 24, 49, daugiasluoksnių TiO 2 (arba SiO 2 ) / VO 2 / substrato plėvelių 9 ir 9 VO 2 pagrindu pagamintos kompozicinės plonos plėvelės 20, 51 . Dėl puikių termochrominių mūsų VO 2 plėvelių savybių naudinga speciali nanoplakių struktūra, kuri suteikia poras, kad būtų išspręstas mažo matomumo pralaidumas, o plėvelės storis išlaikomas iki ~ 400 nm.

Integruotas saulės pralaidumas ( T sol , 300–2500 nm) ir

Image
vertės gaunamos iš šios lygties:

Image
Image

kur T λ reiškia pralaidumą bangos ilgio λ metu , φ sol yra saulės oro apšvitos spektras 1, 5 oro masės (atitinkančio saulę, esančią 37 ° virš horizonto) 52 .

Išvada

Apibendrinant galima pasakyti, kad mes pirmą kartą sėkmingai pagaminome nanoplates VO 2 plėveles ant stiklo pagrindo su TiO 2 buferiais, naudodamiesi lengvu hidroterminiu metodu. Gautos VO 2 plėvelės pasižymi unikalia savaime susidedančia porėta struktūra, kurios porėtumą gali kontroliuoti pirmtako tirpalo koncentracija. Puikios termochrominės savybės pasiekiamos, kai 70, 3% matomos šviesos pralaidumas ir 9, 3% saulės moduliacinis efektyvumas. Ištyrus augimo procesą, paaiškėja, kad tinkamos adsorbuojančios terpės, tokios kaip oksalato grupės, adsorbuojančios TiO 2 buferiuose, yra būtinos, norint paruošti VO 2 plonas plėveles ant stiklo hidroterminiu metodu. Šiame darbe priimtas termochrominių VO 2 plėvelių paruošimo procesas yra lengvas, nebrangus ir keičiamas. Eksperimentai įrodė jo potencialą skatinant praktinį VO 2 pritaikymą išmaniuosiuose languose.

Papildoma informacija

Kaip cituoti šį straipsnį : Zhang, J. et al. Hidroterminis VO 2 nanoplatų termochrominių plėvelių augimas ant stiklo, pasižymintis dideliu matomumu. Mokslas. Rep. 6, 27898; „doi“: 10.1038 / srep27898 (2016).

Pokyčių istorija

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.