钾/铯钨青铜粉体的结构调控与性能研究

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随着环境污染的日趋严重以及不可再生能源的日益匮乏,合理的调控进入建筑物以及汽车窗口的太阳能量,可以有效的减少建筑、轮船及汽车等的空调能量消耗,不仅可以提高人的舒适度,还可以达到减少化石燃料所产生的温室气体的排放。透明隔热材料由于其高透明性和近红外(波长范围为780~2500nm)遮蔽性能,正越来越多的引起人们的关注。目前常用的透明隔热材料有无机类的透明导电氧化物,如:ITO、ATO、VO2等;以及有机的透明导电高分子,如:聚吡咯纳米颗粒(polypyrrole nanoparticles)。但ITO、ATO、VO2含有有毒的铟、锑、钒等有毒元素,而且铟(In)元素是一种稀有的贵金属,不仅储量匮乏,而且成本高昂;而有机类的高分子材料往往容易被降解,稳定性较差。含有混合价态的钨离子(W6+和W5+)的碱金属钨青铜(MxWO3)材料具有极佳的透明隔热性能,并且原料价格相对低廉,且不含毒性的元素,有望替代ITO、ATO等材料,而成为透明隔热领域的重要产品。本文以碱金属钨青铜:KxWO3和CsxWO3为中心,以其结构调控和透明隔热性能为研究对象,系统探讨了溶剂热工艺参数(碱金属元素、溶剂种类和配比、钨源状态、模板剂、掺杂元素)以及热处理对产物成分、微观结构以及紫外-可见-近红外波段的透过率的影响。利用XRD、TEM、SEM、红外成像仪(FLIR)以及紫外-可见-近红外波段的透过率光谱等测试方法对制备样品的晶体结构、纯度、微观形貌、光热效应、透过率等进行表征。通过研究发现:(1)利用透明钨酸为钨源制备KxWO3或CsxWO3粒子,往往导致制备的晶粒均匀度差,通过纳米纤维素的加入可以诱导制备的CsxWO3呈海胆状,降低了微米级长度晶粒出现的概率,并且制备CsxWO3粉体具有较好的透明隔热性能;利用固态胶状钨酸可以制备出粒径小且均匀的KxWO3和CsxWO3纳米粒子,但制备的粉体的透明隔热性能不好;利用Pt掺杂CsxWO3,可以大大提高粉体的透明隔热性能。(2)KxWO3和CsxWO3经过氢气高温热处理后透明隔热性能都有所提高,其中450℃热处理30min是最优的处理条件,此时CsxWO3粉体具有极佳的透明隔热性能;在乙酸和HF共存条件下对铯钨青铜粉体进行水热处理,不仅可以最大程度上保持晶粒的原有尺寸,还可以明显提高CsxWO3粉体的透明隔热性能,且当n[W]:n[F]=1:0.45条件下水热处理的CsxWO3粉体表现出最佳近红外遮蔽性能;CsxWO3经过1mol/L的柠檬酸水热处理后其粒径基本未发生改变,仍保持较小的晶粒尺寸,同时处理后的CsxWO3粉体透明隔热性能明显提升,其透明隔热系数k提升为2.73。
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