Adv. Mater. 蘇州納米所：可用于光電領域的鎢氧化物材料

【成果簡介】

鎢氧化物是一種多功能材料，由于其具有柔性結構及陽離子插入態，因而在許多重要領域有廣泛應用。其中最受歡迎的應用領域之一就是發色器件。此外，鎢氧化物還被用作光催化劑來捕獲太陽能，用于環境凈化和燃料生產，為能源和環境危機的解決提供了新策略。近來對存在于鎢氧化物傳統應用領域中的發展桎梏的研究取得了重大突破，并且由此發展出鎢氧化物的其他新應用。

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的趙志剛研究員（通訊作者）等，于8月17日在期刊Advanced Materials 上發表了文章“Tungsten Oxide Materials for Optoelectronic Applications”。文中對鎢氧化物材料相結構及其化學計量的復雜性，以及其有別于其他材料的特殊光電性能進行了簡單綜述。基于鎢氧化物以上獨特性，趙志剛等介紹了通過結構和計量學控制的方法進行的材料設計，并以此作為提升在傳統應用領域中鎢氧化物性能的策略。趙志剛等還描述了鎢氧化物材料在光電應用中的最新研究進展。最后，展望了鎢氧化物這種多功能材料的光明前景以及可能的研究趨勢。

【圖文導讀】

圖1：鎢氧化物相結構示意圖及相關性能表征

a）所示為WO3的立方結構及WO6的八面體單元。理想的WO3晶體是由角共享的WO6八面體組成的立方結構。

b）所示為立方鈣鈦礦晶格的晶胞。在形成經典的化學計量的立方鈣鈦礦結構時，WO6角共享的排列方式典型的特征就是形成（b）中紅線標出的四邊形空腔。

c）所示為六邊形WO3的通道結構。在WO6構建的W-O骨架中，h-WO3形成了在ab平面的三角形和六邊形空隙，以及在c軸方向的正方形空隙。

d）所示為W18O49的晶格網絡。亞化學計量的W18O49有和h-WO3相似的三角形、四邊形、六邊形通道結構。

e）所示為和WO3量子點粒徑相關的Eg值。

f）所示為極化子形成原理示意圖。亞化學計量鎢氧化物吸收光譜覆蓋幾乎整個可見光區域，呈現各種顏色，這可從極化子-吸收機理出發進行闡述。

g）所示為棒狀WO2.83的LSPR吸收。缺氧型鎢氧化物在近紅外區域吸收強烈，通常用LSPR的產生對此進行解釋。

圖2：光電性能表征

a）所示為作為可見光驅動的光催化劑：Pt-WO3。由圖可知Pt-WO3對氣態乙醛的去除率比商用WO3和N摻雜TiO2都高。

b）所示為載Pt的WO3納米管的制備過程示意圖。

c）所示為具有酸化表面的WO3八面體。表面酸化的WO3八面體對重金屬離子表現出優異的光催化還原活性。

d）所示為氧空穴含量不同的鎢氧化物催化劑在不同光照時間下的CH4產量。沒有氧空穴的WO3在該反應中沒有活性，表明鎢氧化物中氧空穴導致鎢氧化物具有還原活性。

e）所示為WO3納米線和納米片的IPCE。

f）所示為WO3和氫處理WO3的PEC性能。

g）所示為氧缺陷鎢氧化物納米片的能級排列。由圖可知，紫外可見到近紅外區域的光捕獲能力的增強導致鎢氧化物納米片光電流增加。

圖3：電致發色和光致發色性能表征

a）所示為基于納米片狀和塊狀WO3?2H2O的ECD的著色效率。由圖可知基于納米片狀WO3?2H2O的ECD著色效率遠遠超過了基于塊狀WO3?2H2O的ECD。

b）所示為電化學過程超快的WOx量子點。

c）所示為W18O49膜電極在三種電解質水溶液中的光學調制的循環穩定性。由圖可知，Al3+作為W18O49主體的插入離子獲得了對比度高、穩定性好的ECD。

d）所示為不同帶電狀態下的超級電容圖。該智能超級電容可能使儲能器件通過顏色變化實時指示儲能水平。

e）所示為有色/無色狀態下的柔性WO3/CNT薄膜。

f）所示為在，0和50%的拉伸強度下，有色/無色狀態下的WO3/AgNW/PDMS器件。

圖4：光熱性能表征及相關圖示

a）所示為PEG-W18O49納米線的光熱轉化圖。由圖可知，注入含有聚乙二醇醇化的W18O49納米線的水分散液后，在980nm的激光照射下試管腫瘤細胞的標記溫度增加至50 ℃。

b）所示為熒光檢測的PEG-W18O49納米線的單線態氧的產生。可觀察到的波長約為1264nm的磷光證實產生了還原性單線態氧，并用NaN3淬滅，對其進行了定量測試。

c）所示為基于W18O49納米線的光熱、光能和發射療法示意圖。

d）所示為W18O49，WO3，和SiO2/Si基底上的探針分子：R6G的拉曼曲線。

【小結】

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的趙志剛等對鎢氧化物材料結構及其有特殊光電性能進行了簡單綜述，介紹了通過結構和計量學控制的方法進行的材料設計，描述了鎢氧化物材料在光電應用中的最新研究進展，展望了鎢氧化物這種多功能材料的光明前景以及可能的研究趨勢。

文獻鏈接：Tungsten Oxide Materials for Optoelectronic Applications（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201601109）

本文由材料人電子電工學術組以亦供稿，材料牛編輯整理。

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