相变材料二氧化钒和三氧化二钒的制备和表征

发布时间：2017-06-27 19:02

  本文关键词：相变材料二氧化钒和三氧化二钒的制备和表征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自从“金属—半导体”相变被提出以来,具有这种相变特性的材料就成为了材料科学的研究热点。在这些相变材料中,最引人关注的是钒的低价氧化物,特别是VO2和V_2O_3。它们是最典型的具有“金属—半导体”相变的材料。随着温度的改变,VO2和V_2O_3的原子排列方式发生改变,导致其发生相变。相变的发生,使得VO2和V_2O_3材料的多种物理性质发生突变。利用这一特性,可将VO2和V_2O_3应用在各种光电器件、智能窗图层和存储器上。钒的低价态氧化物在空气中不稳定,容易被氧化成高价态氧化物而影响其性能,特别是V_2O_3。目前,VO2和V_2O_3的制备技术还不成熟,存在实验成本高、难以产业化的缺点。因此,广泛开展VO2和V_2O_3的制备研究意义重大。本文以钒冶炼产品工业偏钒酸铵为原料,采用沉淀分离法制备得到纯度为99.8%的高纯V_2O_5。再以高纯五氧化二钒为原料,分别采用水热法、高温碳热法和锌粉还原法来制备VO2和V_2O_3,为钒冶炼产品的精深加工、钒氧化物的制备提供一定的实验依据。以高纯V_2O_5为原料,分别以无水Na2SO3、草酸和甲醇为还原剂,采用水热法制备VO2。探讨了pH、填充度、超声时间、反应温度、还原剂用量等一系列实验条件对产品纯度的影响,并对最佳工艺条件下所得产品进行提纯,分别得到质量分数为98.5%、97.1%、98.6%的VO2,产率分别为85.5%、84.2%、91.0%。经XRD分析表明产品为B相VO2,结晶性良好、纯度较高。将产品在高温下热处理一段时间后,B相VO2全部转化为M相VO2。以V_2O_5为原料,活性炭为还原剂,采用高温碳热法制备VO2。通过对还原剂用量的探讨,确定了碳的用量为n(碳):n(V_2O_5)=0.5,反应时间为5h。最佳条件下得到的VO2经纯化后质量分数达到了99.6%,总产率为90.2%。XRD分析结果显示,采用高温碳热法制得的VO2为M相,结晶性良好。与水热法相比,高温碳热法具有实验周期短、操作简单、产品纯度和产率高等优点,但高温碳热法制备出的VO2仅为微米级。水热法虽然有实验周期长、重复性不好等缺点,但制备出的产品结晶性好、尺寸为纳米级。以V_2O_5为原料,Zn粉为还原剂,采用氧化还原法制备V_2O_3,探讨了沉钒pH、沉钒时间、沉钒温度、反应时间、反应温度等一系列反应条件对V_2O_3纯度的影响,在最佳工艺条件下所制得的V(OH)_3前驱体,经高温煅烧后为质量分数98.8%的V_2O_3,产率为95.4%。经XRD分析,表明产品为结晶性好、纯度高的V_2O_3。
【关键词】：二氧化钒 三氧化二钒 制备 水热法 高温碳热法 锌粉还原法
【学位授予单位】：吉首大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ135.11;TB34
【目录】：

• 摘要11-12
• ABSTRACT12-14
• 第1章 绪论14-25
• 1.1 引言14
• 1.2 钒的氧化物14-15
• 1.3 二氧化钒的性质、应用和制备方法15-21
• 1.3.1 二氧化钒的晶体结构15-17
• 1.3.2 二氧化钒的能带结构17
• 1.3.3 二氧化钒的性质17-18
• 1.3.4 二氧化钒的应用18-19
• 1.3.5 二氧化钒的制备方法19-21
• 1.4 三氧化二钒的性质、应用和制备方法21-24
• 1.4.1 三氧化二钒的晶体结构与性质21
• 1.4.2 三氧化二钒的相变21-22
• 1.4.3 三氧化二钒的应用22
• 1.4.4 三氧化二钒的制备方法22-24
• 1.5 本论文研究内容及意义24-25
• 第2章 实验原料及分析方法25-29
• 2.1 实验仪器25
• 2.2 实验试剂25-26
• 2.3 高纯五氧化二钒原料的制备26
• 2.4 分析检测方法26-29
• 2.4.1 钒的分析方法26-28
• 2.4.2 样品的表征28-29
• 第3章 水热法制备二氧化钒29-52
• 3.1 引言29
• 3.2 实验流程图29-30
• 3.3 实验原理30
• 3.4 实验方法30-31
• 3.4.1 还原剂为亚硫酸钠和草酸30
• 3.4.2 还原剂为甲醇30-31
• 3.5 亚硫酸钠作还原剂制备二氧化钒31-39
• 3.5.1 p H对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响31
• 3.5.2 填充度对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响31-32
• 3.5.3 超声时间对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响32-33
• 3.5.4 反应温度对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响33-34
• 3.5.5 亚硫酸钠用量对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响34-35
• 3.5.6 VO_2的纯化35-36
• 3.5.7 VO_2的红外光谱分析(IR)36
• 3.5.8 VO_2的X射线衍射分析(XRD)36-38
• 3.5.9 VO_2的扫描电镜分析(SEM)38
• 3.5.10 VO_2的差示扫描量热分析(DSC)38-39
• 3.6 草酸作还原剂制备二氧化钒39-45
• 3.6.1 p H对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响39-40
• 3.6.2 填充度对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响40
• 3.6.3 超声时间对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响40-41
• 3.6.4 反应温度对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响41
• 3.6.5 草酸用量对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响41-42
• 3.6.6 VO_2的纯化42
• 3.6.7 VO_2的红外光谱分析(IR)42-43
• 3.6.8 VO_2的X射线衍射分析(XRD)43-44
• 3.6.9 VO_2的扫描电镜分析(SEM)44
• 3.6.10 VO_2的差示扫描量热分析(DSC)44-45
• 3.7 甲醇作还原剂制备二氧化钒45-50
• 3.7.1 填充度对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响45
• 3.7.2 超声时间对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响45-46
• 3.7.3 反应温度对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响46-47
• 3.7.4 甲醇用量对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响47
• 3.7.5 VO_2的纯化47
• 3.7.6 VO_2的红外光谱分析(IR)47-48
• 3.7.7 VO_2的X射线衍射分析(XRD)48-49
• 3.7.8 VO_2的扫描电镜分析(SEM)49
• 3.7.9 VO_2的差示扫描量热分析(DSC)49-50
• 3.8 结论50-52
• 第4章 碳热法还原五氧化二钒制备二氧化钒52-59
• 4.1 引言52
• 4.2 实验流程图52
• 4.3 实验原理52-53
• 4.4 实验方法53
• 4.5 实验结果与讨论53-58
• 4.5.1 反应时间对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响53
• 4.5.2 活性炭用量对产品中VO_2、V_2O_5、V_2O_3质量分数的影响53-54
• 4.5.3 VO_2的纯化54-55
• 4.5.4 反应历程分析55-56
• 4.5.5 VO_2的红外光谱分析(IR)56
• 4.5.6 VO_2的X射线衍射分析(XRD)56-57
• 4.5.7 VO_2的扫描电镜分析(SEM)57
• 4.5.8 VO_2的差示扫描量热分析(DSC)57-58
• 4.6 结论58-59
• 第5章 三氧化二钒粉末的制备与表征59-67
• 5.1 引言59
• 5.2 实验流程图59
• 5.3 实验原理59-60
• 5.4 实验方法60-61
• 5.4.1 V(OH)_3前驱体的制备60
• 5.4.2 前驱体的热分解60
• 5.4.3 分析计算方法60-61
• 5.5 实验结果与讨论61-64
• 5.5.1 p H对V_2O_3质量分数和钒损失率的影响61
• 5.5.2 沉钒时间对V_2O_3质量分数和钒损失率的影响61-62
• 5.5.3 沉钒温度对V_2O_3质量分数和钒损失率的影响62-63
• 5.5.4 还原时间对V_2O_3质量分数和钒损失率的影响63-64
• 5.5.5 还原温度对V_2O_3质量分数和钒损失率的影响64
• 5.6 V(OH)_3前驱体的分解64-65
• 5.7 V_2O_3的XRD分析65-66
• 5.8 V_2O_3的SEM分析66
• 5.9 结论66-67
• 结束语67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72
• 作者在学期间取得的学术成果72

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