Adv. Mater. 苏州纳米所：可用于光电领域的钨氧化物材料

【成果简介】

钨氧化物是一种多功能材料，由于其具有柔性结构及阳离子插入态，因而在许多重要领域有广泛应用。其中最受欢迎的应用领域之一就是发色器件。此外，钨氧化物还被用作光催化剂来捕获太阳能，用于环境净化和燃料生产，为能源和环境危机的解决提供了新策略。近来对存在于钨氧化物传统应用领域中的发展桎梏的研究取得了重大突破，并且由此发展出钨氧化物的其他新应用。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的赵志刚研究员（通讯作者）等，于8月17日在期刊Advanced Materials 上发表了文章“Tungsten Oxide Materials for Optoelectronic Applications”。文中对钨氧化物材料相结构及其化学计量的复杂性，以及其有别于其他材料的特殊光电性能进行了简单综述。基于钨氧化物以上独特性，赵志刚等介绍了通过结构和计量学控制的方法进行的材料设计，并以此作为提升在传统应用领域中钨氧化物性能的策略。赵志刚等还描述了钨氧化物材料在光电应用中的最新研究进展。最后，展望了钨氧化物这种多功能材料的光明前景以及可能的研究趋势。

【图文导读】

图1：钨氧化物相结构示意图及相关性能表征

a）所示为WO3的立方结构及WO6的八面体单元。理想的WO3晶体是由角共享的WO6八面体组成的立方结构。

b）所示为立方钙钛矿晶格的晶胞。在形成经典的化学计量的立方钙钛矿结构时，WO6角共享的排列方式典型的特征就是形成（b）中红线标出的四边形空腔。

c）所示为六边形WO3的通道结构。在WO6构建的W-O骨架中，h-WO3形成了在ab平面的三角形和六边形空隙，以及在c轴方向的正方形空隙。

d）所示为W18O49的晶格网络。亚化学计量的W18O49有和h-WO3相似的三角形、四边形、六边形通道结构。

e）所示为和WO3量子点粒径相关的Eg值。

f）所示为极化子形成原理示意图。亚化学计量钨氧化物吸收光谱覆盖几乎整个可见光区域，呈现各种颜色，这可从极化子-吸收机理出发进行阐述。

g）所示为棒状WO2.83的LSPR吸收。缺氧型钨氧化物在近红外区域吸收强烈，通常用LSPR的产生对此进行解释。

图2：光电性能表征

a）所示为作为可见光驱动的光催化剂：Pt-WO3。由图可知Pt-WO3对气态乙醛的去除率比商用WO3和N掺杂TiO2都高。

b）所示为载Pt的WO3纳米管的制备过程示意图。

c）所示为具有酸化表面的WO3八面体。表面酸化的WO3八面体对重金属离子表现出优异的光催化还原活性。

d）所示为氧空穴含量不同的钨氧化物催化剂在不同光照时间下的CH4产量。没有氧空穴的WO3在该反应中没有活性，表明钨氧化物中氧空穴导致钨氧化物具有还原活性。

e）所示为WO3纳米线和纳米片的IPCE。

f）所示为WO3和氢处理WO3的PEC性能。

g）所示为氧缺陷钨氧化物纳米片的能级排列。由图可知，紫外可见到近红外区域的光捕获能力的增强导致钨氧化物纳米片光电流增加。

图3：电致发色和光致发色性能表征

a）所示为基于纳米片状和块状WO3•2H2O的ECD的着色效率。由图可知基于纳米片状WO3•2H2O的ECD着色效率远远超过了基于块状WO3•2H2O的ECD。

b）所示为电化学过程超快的WOx量子点。

c）所示为W18O49膜电极在三种电解质水溶液中的光学调制的循环稳定性。由图可知，Al3+作为W18O49主体的插入离子获得了对比度高、稳定性好的ECD。

d）所示为不同带电状态下的超级电容图。该智能超级电容可能使储能器件通过颜色变化实时指示储能水平。

e）所示为有色/无色状态下的柔性WO3/CNT薄膜。

f）所示为在，0和50%的拉伸强度下，有色/无色状态下的WO3/AgNW/PDMS器件。

图4：光热性能表征及相关图示

a）所示为PEG-W18O49纳米线的光热转化图。由图可知，注入含有聚乙二醇醇化的W18O49纳米线的水分散液后，在980nm的激光照射下试管肿瘤细胞的标记温度增加至50 ℃。

b）所示为荧光检测的PEG-W18O49纳米线的单线态氧的产生。可观察到的波长约为1264nm的磷光证实产生了还原性单线态氧，并用NaN3淬灭，对其进行了定量测试。

c）所示为基于W18O49纳米线的光热、光能和发射疗法示意图。

d）所示为W18O49，WO3，和SiO2/Si基底上的探针分子：R6G的拉曼曲线。

【小结】

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的赵志刚等对钨氧化物材料结构及其有特殊光电性能进行了简单综述，介绍了通过结构和计量学控制的方法进行的材料设计，描述了钨氧化物材料在光电应用中的最新研究进展，展望了钨氧化物这种多功能材料的光明前景以及可能的研究趋势。

文献链接：Tungsten Oxide Materials for Optoelectronic Applications（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201601109）

本文由材料人电子电工学术组以亦供稿，材料牛编辑整理。

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