[发明专利]一种环保型热致变色二氧化钒薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机功能材料技术领域，具体涉及一种环保型热致变色二氧化钒薄膜的制备方法。

背景技术

二氧化钒的晶体相有很多种，像单斜相(M)，四方金红石相(R)，还有几个亚稳相VO₂(A)、VO₂(B)、VO₂(C)等。然而，在这些二氧化钒的这些晶相中，只有金红石型的VO₂(R/M)相可以在接近于室温的68℃进行完全可逆的半导体-金属相变(MIT)。在这个可逆的相变中，相变前后的近红外透射比和反射比会出现一个突变。当温度低于相变温度时，二氧化钒呈现出半导体性质的单斜相，其红外透过率高，而钒离子的二聚作用取决于金属钒最外层电子的位置。当温度升高到相变温度以上，其会呈现金属相的四方金红石结构，电导率会迅速增加，红外透过率大幅度降低，而可见光的透过率仍较高，还伴随着晶格结构的松弛。此外二氧化钒的半导体金属相变速度快(在纳秒内可以完成)，可逆性好，因此二氧化钒薄膜在智能窗的应用上是一种很有发展潜力的热致变色材料。

2011年中国科学院上海硅酸盐研究所康利涛等以二氯氧钒(VOCl₂)溶液为钒源，加入表面活性剂聚乙烯吡络烷酮(PVP)试剂，在惰性气体下退火处理，制备出了纳米多孔二氧化钒薄膜，通过改变薄膜厚度，其常温下的可见光透射比(T_lum)可达50％，太阳光调制效率(ΔT_sol)可达14.1％，同时还研究了薄膜与基底、空气层与薄膜之间反射光的干涉关系。但是二氯氧钒(VOCl₂)溶液不易保存，此外在惰性气体下退火处理增加也了成本。中国专利CN101760735A公开了一种二氧化钒薄膜的制备方法，其热处理为在惰性气体(氮气、氩气)或弱还原气氛(氮气与氢气的混合气体)中退火处理。2014年新加坡南洋理工大学的Cao X.等人将五氧化二钒(V₂O₅)溶于双氧水(H₂O₂)中，以草酸为还原剂，经过冷冻干燥处理，获得了常温下的可见光透射比(T_lum)可达44.3％，太阳光调制效率(ΔT_sol)可达14.7％的薄膜，同时还研究了预冷冻温度与提拉速率对薄膜性能的影响。但是草酸对人体有害，会使人体的酸碱度失衡，且还原性较弱，使用量大，冷冻干燥处理也使工艺过程复杂化了。上述几种方法所制备的二氧化钒薄膜虽然其太阳光调制效率(ΔT_sol)较高，但是可见光透射比(T_lum)不高，影响了视觉效果。

因此，研究开发一种无毒环保，工艺简单，成本效益较好的制备热致变色二氧化钒薄膜的方法具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种以无毒环保的抗坏血酸为还原剂制备热致变色二氧化钒薄膜的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种环保型热致变色二氧化钒薄膜的制备方法，其步骤如下：

1)配置前驱体溶胶：将五氧化二钒与抗坏血酸按摩尔比1:0.5-1溶于去离子水中，得到均匀溶液，待溶液在室温下反应变成深棕绿色时加入浓盐酸，随后于40-60℃水浴加热搅拌，直至溶液呈蓝色透明状，接着再加入聚乙烯吡络烷酮，室温搅拌得到前驱体溶胶；

2)制备二氧化钒薄膜：将步骤1)所得前驱体溶胶采用旋涂的方法在洁净的石英玻璃基片表面旋涂制膜，随后将石英玻璃基片干燥，最后将石英玻璃基片放入高温炉中退火处理得到热致变色二氧化钒薄膜。

按上述方案，步骤1)所述均匀溶液中钒离子的浓度为0.18-1.10mol/L。

按上述方案，步骤1)所述浓盐酸(36-37wt％)与均匀溶液的体积比为0.05-0.5:1。

按上述方案，步骤1)所述聚乙烯吡络烷酮加入量为均匀溶液质量的3-10％。

按上述方案，步骤2)所述旋涂的工艺条件为：将前驱体溶胶滴在石英玻璃片上，采用台式匀胶机旋涂制膜，先在500r/min转速下旋转10s，再在3000r/min转速下旋转30s。

按上述方案，步骤2)所述退火处理工艺条件为：高温炉内真空度为1.0×10³-2.0×10³Pa，以5-10℃/min的速率升温至500-550℃退火处理30min-2h，并加入碳酸氢铵和氧化钙保护。