氧化钒的资源开发与应用-新型气体传感材料的探索研究

China owns large amount of vanadium resources, accounting for 11.6% of world reverses, only less than South Africa, Russia, and the United States. As an important product of vanadium, this project aims to develop novel gas sensors by the use of semiconductor characteristics of vanadium oxides, and further to improve the utilization of vanadium oxides. On the other hand, limitations of current gas sensor still exist, such as low sensitivity, low selectivity, slow response, and the low stability of materials. Noble metals doped vanadium pentoxide can overcome some defects, but it is difficult and little reported to prepare such materials, especially for chemical methods, attributing to high electrode potential of V2O5. This project intends to prepare noble metals (e.g., Au, Ag, Pd) doped V2O5 particles serving as gas sensing materials by a developed and novel approach. This method has several unique advantages, such as (1) making in situ reduction method available for preparation of noble metals doped vanadium oxide nanoparticles, (2) cost-saving and easy operation, (3) controlable amount of noble metals on V2O5, and (4) for some metals (e.g., Ag) controllable morphology of the doped metal. Therefore, this project will be of great significance for the functional development and applications of vanadium and its oxides which own a large number of reverses in China.

中国有着大量的钒资源储备，约占世界储量的11.6%，仅次于南非、俄罗斯和美国。作为对下游钒产品重要补充，以及对其的综合开发利用，本项目拟用钒氧化物的半导体特性来开发新型的气体传感器，提高氧化钒的利用率。另一方面，当前气体传感器仍有不足，如敏感度低、选择性低、响应慢以及材料的稳定性不高等。而贵金属修饰的五氧化二钒纳米颗粒可以克服某些不足，但其制备有一定难度，尤其对于化学法制备而言鲜有报道，归因于V2O5的高电极电势。本项目拟通过开发新的途径，利用化学法制备贵金属（Au、Ag、Pd等）修饰的V2O5颗粒作为气体传感材料。该方法有如下优点：（1）使得化学法制备贵金属修饰的V2O5颗粒可行；（2）成本低，操作简单（室温下，产品不用分离）；（3）贵金属在V2O5表面的量可控；（4）对金属银而言，掺杂的贵金属的形貌可控。因此，本项目对国内贮备量较大的钒及其氧化物的功能性开发和应用具有重要意义。

当前气体传感器存在如下不足，如敏感度低、选择性低、响应慢以及材料的稳定性不高等。而贵金属修饰的五氧化二钒纳米颗粒可以克服某些不足，但其制备有一定难度，尤其对于化学方法制备而言鲜有报道，归因于V2O5的高电极电势。本项目对此进行了针对性的研究，主要内容包括：（1）特殊形貌V2O3纳米颗粒的制备；（2）对应的特殊形貌V2O5纳米颗粒的制备及表征；（3）化学沉淀法制备贵金属修饰的V2O5纳米颗粒；（4）气体传感性能的测试。经过三年的研究，我们得到了许多重要的结果，简述如下：.（1）利用醇热法，以乙二醇为溶剂，碳酸氢钠为添加剂，制备了纳米片自组装的花状微米颗粒前驱物后经在氮气中煅烧得到三氧化钒颗粒。前驱物的成分较复杂，含有大部分三氧化钒以及少量的羟基氧化钒和羟乙酸氧钒。经过合成条件的优化，该方法通过对钒与碳酸氢钠摩尔比的调节可实现形貌的控制。片层结构的最佳优化条件为260℃，48h，pH=10，[V]=0.075mM，V:Na=6:1；花状颗粒的最佳优化条件为260℃，48h，pH=10，[V]=0.075mM，V:Na=6:7。以上前驱物在氮气中，600°C下煅烧2小时可得到响应形貌的三氧化二钒颗粒。.（2）利用上述方法合成的前驱物制备五氧化二钒微米花状颗粒。将上述前驱物在空气中400-500°C下煅烧2小时可得到相应结构的五氧化二钒纳米颗粒。.（3）利用三氧化钒的还原性原位还原金纳米颗粒在其表面，并在空气中煅烧后形成对应形貌金修饰的五氧化二钒微米颗粒。.（4）气体传感测试表明，五氧化二钒花状微米颗粒显示了较片状五氧化二钒颗粒更好的气敏特性，而片状较商用五氧化二钒有更好的气敏特性。经过贵金属修饰的五氧化二钒花状颗粒显示了较未修饰的五氧化二钒近2倍的灵敏度。.本课题的研究成果对五氧化二钒作为气体传感材料的实际应用提供了基础数据，并且成功的将化学沉积法应用在五氧化二钒上，降低了其制备成本，使得大规模应用制备成为了可能。另外，对下游五氧化二钒的应用开发有着非常重要的意义。