[发明专利]一种由氧气调节氧化钨纳米棒长度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钨基纳米材料技术领域的制备方法，具体是一种由氧气调节氧化钨纳米棒长度的方法。

背景技术

具有纳米结构的氧化钨因具有较高的比表面积而表现出特殊的物理效应，从而使其在电致变色、光致变色、传感和催化等领域具有广阔的应用价值。碳化钨的性能主要与氧化钨原料密切相关，氧化钨在碳化还原过程中，生成的碳化钨晶粒因相互聚集易形成异常粗大的颗粒。因此，如能制备出高比表面积的纳米结构氧化钨，将会进一步改善其物理化学性能，扩大其应用价值，特别是其在纳米碳化钨的制备与应用领域的价值。

纳米结构（如纳米棒，纳米片，纳米球，纳米管等）氧化钨的合成主要有固相热分解法、液相沉积法、气相沉积法等方法。目前，制备氧化钨的普遍方法是采用液相法。但在液相制备钨酸的过程中，钨酸颗粒因热力学不稳定而呈自动聚结；此外，颗粒表面上的自由水分子与自由羟基形成氢键，再与相邻颗粒表面上的水分子形成氢链，产生桥联作用。因而，这种钨酸经焙烧，进一步脱水，氢键将转化成强度高的桥氧键，形成硬团聚，颗粒度显著增大，影响了其性能的发挥。通常解决的办法是采用加入表面活性剂来改善其稳定性和粘度，然而由于表面活性剂的加入，使得最终所制备的氧化钨中含有较多的表面活性剂与吸附物，导致其化学性能下降。模板法是以模板为主体去控制和修饰材料的形貌、尺寸，进而改善材料性质的一种制备方法。利用模板的空间限域作用和结构导向作用，能够有效防止纳米颗粒二次团聚现象的发生，可对合成颗粒的尺寸、形貌、结构和排列等进行有效的调制。因此，如果能在钨酸形成过程中，提供模板或隔离剂，将钨酸颗粒互相隔离，阻止或抑制水分子与其表面上羟基形成的氢键，以及颗粒间形成的化学键力，对改善硬团聚和制备纳米结构的氧化钨具有十分重要的意义。

当前，采用液相法结合模板法，已成功制备出纳米结构氧化钨。Pham Van Tong等在《Sensors and Actuators B》 （传感器与执行器B）2013年第183期372– 380页发表了题为 《Diameter controlled synthesis of tungsten oxide nanorod bundles for highly sensitive NO₂ gas sensors 》 (用于高敏NO₂气体传感器的氧化钨纳米棒束的直径控制合成)一文。文中评述：采用水热法对氧化钨纳米棒束的直径进行调控，并以聚合物作为表面活性剂对其形貌进行控制。由于该制备方法上的局限性，即水热法反应都是在密封的高温高压反应釜中进行，在反应过程中，外界无法干预氧化钨颗粒的生长。此外，氧化钨颗粒往往沿着模板剂的表面生长，使得制备出的氧化钨纳米纤维的形貌遗传了模板的形貌。采用长径比较大的模板剂，则制备出的氧化钨长径比也较大。若采用这种长径比较大的氧化钨纤维作为制备碳化钨的原材料，在其碳化还原过程中，因氧化钨纤维之间相互缠绕，使得到的碳化钨颗粒易于长大，大大地影响了碳化钨的结构和性能。如果采用的氧化钨原料是高比表面积的纳米氧化钨颗粒，则更容易制备出结构较疏松、分散性较好的碳化钨粉末。因此，如能对制备的氧化钨纳米纤维的长度进行控制，将会进一步扩大其应用价值，特别是其在纳米碳化钨的制备与应用领域方面尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由氧气调节氧化钨纳米棒长度的方法，以直径为2-200 nm，层数为1-30层的表面功能化的碳纳米管为载体，钨金属盐为钨源，在碳纳米管乙二醇悬浮液和钨金属盐体系中滴加盐酸，利用强酸制弱酸原理，使钨酸颗粒直接在碳纳米管表面析出并沿着其表面生长，从而形成钨酸/碳纳米管棒状复合物，一方面是利用碳纳米管管束对钨酸颗粒进行隔离和担载，使钨酸颗粒在其表面析出并覆盖其表面，并沿其表面进行生长，从而生成棒状结构；另一方面是利用乙二醇分散碳纳米管并增加体系粘度，控制钨酸颗粒的生长速率，减少颗粒间的二次团聚。之后，将该复合物置于高温反应区，通入不同比例的氧气和氮气，进行热处理，得到氧化钨纳米棒。在热处理过程中，我们通过控制气体流量（30-500 mL/min）和氧气含量（0-100%）来控制碳纳米管燃烧生成二氧化碳的速度，进而调节氧化钨纳米棒断裂程度，从而快速对氧化钨纳米棒进行剪切而形成不同长度（20-800 nm）的氧化钨纳米棒。

本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明方法涉及一种由氧气调节氧化钨纳米棒长度的方法，主要包括以下步骤：