[发明专利]一种具有热色性能的氧化钒纳米柱阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及节能材料领域中的热致变色氧化钒纳米柱阵列及其制备方法，涉及水热处理技术和湿化学处理技术，属于节能环保新材料领域。

背景技术

纳米材料因会产生独特的光学，电学和磁学性能，受到人们的青睐。一维纳米阵列因为其规整的纳米结构，快速的电子传输效果，在提高太阳能电池效率，增强LED的出光效率，提高储氢等方面得到了广泛的应用。二氧化钒是一种相变材料，有很多同质异构体，如A，B，C，M/R等相态。其中，M/R相在68度附近具有可逆的热致相变过程，因可以用于热色智能窗而受到青睐。然而，在VO₂(M/R)薄膜的制备过程中，0维和1维结构都研究比较多，但是对于垂直于基底的纳米阵列的研究仍是一片空白。Wang等人利用热蒸发的方法在硅片上得到了垂直于基底的C相VO₂纳米阵列，其具有较好的紫外光催化性能和产生氢气的能力(ACS Nano,2008,2,1492-1496)。专利CN102994951A指出用物里气相中的倾斜沉积技术可以获得不同形状的VO₂纳米阵列，可以提高VO₂薄膜的可见光透过率和太阳能调节率，但是受限于设备的尺寸，可以得到的VO₂纳米阵列的尺寸非常有限，且该方法得到的薄膜为非晶态，需要后续的热处理得到具有相变功能的VO₂薄膜，这会导致纳米结构的坍塌和退化。Yang等人用阳极氧化的方法在钒箔上制备了厚度为20um的VO₂多孔膜，具有较好的相变的性能(Adv.Mater.2012,24,1571-1575)，但是由于膜的厚度比较大且在钒箔上制备，该膜不能用于智能窗。此外，电化学方法中，由于用到具有强腐蚀性的电解液，毒性和污染程度都比较大，因此，找到一个比较温和易行的技术制备适用于智能窗的VO₂纳米阵列是实施该技术的关键。

此外，VO₂作为智能窗材料，可见光透过率不高和太阳能调节率不理想是制约该材料走向实用化的两大瓶颈。这主要受制于其本征吸收高和折射率比较大(折射率大于3.0)，在可见光区会产生强烈的表面反射，因此设计折射率匹配的结构以减小光学折射率和表面反射具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有热色性能的氧化钒纳米柱阵列及其制备方法。

面对现有技术存在的问题，本发明利用成熟的透明氧化物(折射率小于2.5)纳米阵列作为模板，在氧化物A阵列上生长VO₂的壳层，这样得到的VO₂纳米柱构成的薄膜的复合折射率得到降低，其可见光透过率可以得到提高。此外，为了对VO₂层进行保护，可以再沉积一层氧化物B，形成具有三明治结构的纳米柱，这样不仅可以改善可见光的透过率和太阳能调节率，还可以提高VO₂纳米柱阵列的稳定性，因此该技术制备的VO₂(M/R)纳米阵列有望应用于热色智能窗领域。

本发明具有热色性能的氧化钒纳米柱阵列，其特征在于该纳米阵列为核壳结构，其中内核为氧化物A，第二层为具有热色功能的VO₂层，第三层为空气或氧化物B，形成氧化物AVO₂空气或氧化物AVO₂氧化物B结构。

所述的具有热色功能的VO₂(M/R)纳米阵列垂直于基底，氧化物A的柱体的直径和间距均小于1um，直径优选为50-500nm,间距优选为10-500nm，柱体的高度不大于200nm，优选为100-200nm；VO₂层的厚度不大于100nm,优选为10-100nm；氧化物B层的厚度不大于100nm，优选为0-100nm。

较佳的，所述的具有热色功能的VO₂(M/R)纳米阵列为二氧化钒纯的或者掺杂的M相或R相，掺杂的元素选自W，Nb，Mo，Ti，Sn，Mg，F中的至少一种，掺杂元素的摩尔浓度为0-2at％。

较佳的，所述的具有热色功能的VO₂(M/R)纳米阵列氧化钒纳米柱阵列中的氧化物A或氧化物B选自氧化钛，氧化硅，氧化锆，氧化锌，氧化锡，氧化铈。