[发明专利]高纯度高密度WO3/S核壳结构纳米颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高纯度高密度WO₃／S核壳结构纳米颗粒的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

氧化钨作为一种功能陶瓷在电致变色、气体探测和化学催化等方面具有广泛的应用前景。同时，作为压敏电阻，氧化钨陶瓷具有低电压、低电流等特点，有望在微电子学领域得到应用。然而，氧化钨晶体中由于存在多相共存现象导致其电学性能不稳定，它的应用潜力远未得到充分开发。有研究表明，当材料尺寸小到纳米量级时大多呈现出单晶状态，因此制备出氧化钨纳米单晶有望解决其结构相变多、电学性能不稳定等缺点。

另一方面，为了提高材料的性能、扩展材料的应用，两种或多种材料的复合或杂化形成的纳米异质结构能增强材料的性能或展现出单独组分材料不具有的特性，引起了人们的广泛关注。其中，核壳结构作为一种重要的异质结构广泛应用于材料的电学、磁学、光学、催化、力学和电化学性能的复合。例如，WO₃／TiO₂核壳结构因为结合了WO₃和TiO₂的优秀性能而展现出了更加优异的催化性能和更加优异的电致变色染色率(Vuong N M，Kim D，Kim H.Electrochromic properties of porous WO₃-TiO₂core-shell nanowires.J.Mater.Chem.C，2013，1(21)：3399-3407)，而有关WO₃／S核壳结构的研究还未见报道。

目前，核壳纳米结构一般采用化学法制备。相较于化学反应的复杂和难于控制，物理气相沉积如热蒸发具有成本低、制备过程简单、工艺参数可控性强和制备材料多为晶体等特点。本发明首次利用热蒸发技术高产率制备得到了高纯度、高密度，均匀性好的WO₃／S核壳结构纳米颗粒，有望在催化剂、电致变色玻璃、蓄电池电极、气敏传感器和压敏电阻方面得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高纯度高密度WO₃／S核壳结构纳米颗粒的制备方法；该方法采用真空管式炉，以氧化钨(WO₃)和硫(S)作为蒸发源，通过热蒸发的方法，在载气保护下，在表面平整、光洁的硅片、砷化镓片、蓝宝石片或碳化硅单晶片上，一步合成沉积得到高密度的WO₃／S核壳结构纳米颗粒，这种颗粒其内核为单晶WO₃，外壳为非晶单质S。该方法具有沉积条件严格可控、设备和工艺简单、产量大、成本低等优点。所获得的核壳结构纳米颗粒产物纯度高，其内核和外壳的直径分布均匀，颗粒大小可控。

本发明提出的WO₃／S核壳结构纳米颗粒制备方法，其特征在于，所述方法通过热蒸发氧化钨和硫在表面平整、光洁的基片上合成WO₃／S核壳结构纳米颗粒，包括以下步骤：

(1)在真空管式炉中，将分别装有WO₃粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚、或者装有WO₃和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在炉中央的加热区域，在其气流下游距离装有WO₃粉的坩埚20-30mm处温度较低的区域放置基片。

(2)在加热前，先对整个系统抽真空，然后向系统中通入高纯惰性载气，并重复多次，以排除系统中的空气。然后以15-30℃／min速率升温到最高加热温度，并保温数小时。在加热过程中，保持载气流量为100-300标准立方厘米每分钟(sccm)，且整个加热过程在惰性载气保护下完成，最后自然降温到室温，即可在基片上得到高纯度、高密度WO₃／S核壳结构纳米颗粒。

在上述制备方法中，所述步骤(1)中的蒸发源为市售分析纯WO₃粉末和硫粉。

在上述制备方法中，所述步骤(1)中，如果将装有WO₃粉和S粉的氧化铝陶瓷坩埚分别放置在不同加热区域进行加热，则将装有WO₃粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在炉的中央温度最高的加热区域，在其气流上游或者下游距离装有WO₃粉的坩埚10-15mm处加热温度较低的区域放置装有S粉的氧化铝陶瓷坩埚。

在上述制备方法中，所述步骤(1)中，如果将装有WO₃和S混合粉的氧化铝陶瓷坩埚放置在炉中央的加热区域进行加热，则其中WO₃粉和S粉的质量比控制在10：1到100：1之间。