Inhalt
Vorwort
Zweck und Zielgruppe
Forschungs- und Anwendungsbedeutung von hochreinem Nano-Wolframoxid
Buchstruktur und Gebrauchsanleitung
Abkürzungen und Symbole
Häufig verwendete Abkürzungen (wie WO₂.₉ , BTO, APT)
Physikalische und chemische Symbole und Einheiten
Kapitel 1 Einleitung
1.1 Geschichte und Entdeckung von hochreinem Nano-Wolframoxid
1.2 Klassifizierung von nichtstöchiometrischem Wolframoxid ( WO₃, WO₂.₉, WO₂.₇₂, WO₂)
1.3 Der Status von hochreinem Nano-Wolframoxid in der Wolfram-Industriekette 1.4 Aktueller Stand und Trends in Forschung und Anwendung 1.5 Umfang und Ziele dieses Buches
Kapitel 2 Grundlegende Eigenschaften von hochreinem Nano-Wolframoxid
2.1 Chemische Zusammensetzung und nichtstöchiometrische Eigenschaften
2.1.1 Chemische Formel und Sauerstoff-Wolfram-Verhältnis
WO₂.₉ und Sauerstoffgehaltsbereich (19,0-19,5 Gew.- %)
Vergleich mit WO₃ , WO₂.₇₂ , WO₂
2.1.2 Bildungsmechanismus des nichtstöchiometrischen Verhältnisses
Entstehung und Stabilität von Sauerstoffleerstellen
Auswirkungen stöchiometrischer Abweichungen auf die Leistung
2.1.3 Verunreinigungen und Reinheitskontrolle
Häufige Quellen für Verunreinigungen (Fe, Mo, Si)
2.2 Kristallstruktur
und Sauerstoffdefektmechanismus
2.2.1 Kristallstrukturtyp
Strukturelle Eigenschaften der monoklinen Phase (P2 ₁ /n)
Strukturelle Unterschiede zu WO₃
2.2.2 Mikroskopische Verteilung von Sauerstoffleerstellen
Arten von Punktdefekten und Oberflächendefekten
Berechnung der Sauerstoffleerstellendichte (10 ¹ ⁹ -10 ²¹ cm ⁻ ³ )
2.2.3 Methoden zur Strukturcharakterisierung
Charakteristische Peakanalyse von XRD- und Raman-Spektren
Zusammenhang zwischen Gitterparametern und Defekten
2.2.4 Thermische Stabilität und Phasenwechsel
Einfluss der Temperatur auf die Kristallstruktur (stabil bei <600 °C)
2.3 Physikalische Eigenschaften von Phasenübergängen während der Oxidation und Reduktion
2.3.1 Bandlückenenergie
Bandlückenbereich von WO₂.₉ (2,4-2,8 eV)
Regulationsmechanismus von Sauerstoffdefekten auf die Bandlücke
Charakteristische Absorption von UV-Vis-Spektren
2.3.2 Spezifische Oberfläche und Partikelgröße
m² /g) im Mikronbereich (10-50 μm ) und Nanobereich (50-100 nm)
Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf die Leistung
2.3.3 Morphologische Merkmale
Gängige Morphologien (Nanopartikel, Nanostäbe, dünne Filme)
Thermodynamik und Kinetik der Morphologiebildung
2.3.4 Optische Eigenschaften
Ursache der Farbe (dunkelblau)
Lichtabsorptions- und Reflexionseigenschaften
2.3.5 Thermische und mechanische Eigenschaften
Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient
2.4 Mechanische Festigkeit von Nanostrukturen
2.4.1 Oxidationszustand und Reaktivität
Gemischte Oxidationsstufen von W⁵⁺ / W⁶⁺
Reaktivität mit O₂ und H₂
2.4.2 Oberflächenchemie und aktive Zentren
Katalytische Wirkung von Oberflächensauerstoffdefekten
Adsorptionsleistung ( H₂O , CO₂ , NO₂ )
2.4.3 Leitfähigkeit und elektrochemische Eigenschaften
Leitfähigkeitsbereich (10 ⁻ ³ -10 ⁻ ² S/cm)
Elektronentransfer bei elektrochemischen Reaktionen
2.4.4 Korrosionsbeständigkeit und Stabilität
Stabilität in sauren und alkalischen Umgebungen
Oxidationsrisiko bei Langzeitlagerung
2.5 Nanoeffekte auf die Leistung
2.5.1 Physikalische Grundlagen des Größeneffekts
Quantenbeschränkung und Oberflächeneffekte
Bandlückenregulierung durch Nanometergröße
2.5.2 Mechanismus zur Leistungssteigerung
Verbesserte photokatalytische Effizienz (>400 μmol·g ⁻ ¹ · h ⁻ ¹ )
Optimierung der elektrochromen und Energiespeicherleistung
2.5.3 Herausforderungen der Nanoskalierung
Agglomerations- und Dispersionsprobleme
Die Balance zwischen Vorbereitung und Anwendung
Kapitel 3 Herstellungstechnologie für hochreines Nano-Wolframoxid
3.1 Einteilung und Übersicht der Herstellungsverfahren
3.2 Gasphasenverfahren (CVD, PVD)
3.2.1 Verfahrensprinzipien und -parameter
3.2.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungsszenarien
3.3 Flüssigphasenverfahren (Hydrothermalverfahren, Solvothermalverfahren, Elektrochemische Reduktion)
3.3.1 Detaillierte Erklärung des hydrothermalen Prozesses
3.3.2 Morphologiekontrolle durch Solvothermalverfahren
3.3.3 Umweltvorteile der elektrochemischen Reduktion
3.4 Festphasenmethode (Wasserstoffreduktion, plasmaverstärkt)
3.4.1 Optimierung des Wasserstoffreduktionsprozesses
3.4.2 Plasmagestützte Schnellsynthese
3.5 Herausforderungen und Lösungen der Nanotechnologie
3.6 Vergleich zwischen Labor- und Industrieherstellung
Kapitel 4 Nachweis und Charakterisierung von hochreinem Nano-Wolframoxid
4.1 Übersicht über die Detektionstechnologie
4.2 Analyse der chemischen Zusammensetzung (XRF, ICP-MS, Bestimmung des Sauerstoffgehalts)
4.3 Charakterisierung der Kristallstruktur (XRD, Raman-Spektroskopie)
4.4 Analyse der Morphologie und Partikelgröße (SEM, TEM, Partikelgrößenanalysator)
4.5 Prüfung der physikalischen Eigenschaften (BET, UV-Vis, Leitfähigkeit) 4.6 Standards und Prozesse der Qualitätssicherung
4.7 Häufige Probleme und Lösungen
Kapitel 5 Produktionstechnologie für hochreines Nano-Wolframoxid
5.1 Herstellung im Labormaßstab (5 g, Rohrofenverfahren)
5.1.1 Prozessablauf und Parameter
5.1.2 Anforderungen an Ausrüstung und Instrumente
5.2 Produktion im industriellen Maßstab (100 kg/Charge, Drehrohrofenverfahren)
5.2.1 Prozessgestaltung und -ablauf
Verfahrensprinzip und Reaktionsmechanismus
Prozessübersicht und Gerätelayout
5.2.2 Prozessparameteroptimierung
Temperaturregelung (650-750°C)
Wasserstoffdurchfluss und -verhältnis (5-10 m³/h)
Ofengeschwindigkeit und Verweilzeit (1-2 U/min, 4-6 h)
Fördermengenregulierung (50-100 kg/h)
Echtzeitüberwachung und Feedback
5.2.3 Automatisierungs- und Steuerungssysteme
SPS-Systemintegration und Funktionalität
Sensorkonfiguration (Temperatur, Durchfluss, Druck)
Fernbedienung und Datenprotokollierung
5.2.4 Energieverbrauchsmanagement und -optimierung
Geschätzter Energieverbrauch (2-3 kWh/kg)
Abwärmerückgewinnung und Energieauswahl
Dämmoptimierung und Effizienzsteigerung
5.2.5 Chargenkonsistenz und Qualitätskontrolle
Konsistenzmaßnahmen
5.3 Qualitätsprüfungsprozess und Ausnahmebehandlung 5.3
Rohstoffauswahl und Vorbehandlung
5.3.1 Rohstoffarten und Anforderungen
APT- und WO₃-Spezifikationen
Quelle und Recycling
5.3.2 Vorbehandlungsprozess
Brechen und Sieben
Vorwärmen zum Entfernen von Wasser und NH₃
Qualitätsprüfstandards
5.3.3 Lagerung und Transport
Lagerbedingungen (verschlossen, feuchtigkeitsgeschützt)
5.4 Behandlung von Abgasen und Nebenprodukten
5.4.1 Abgaszusammensetzung und -quellen
NH₃, Wasserdampf, Rest-H₂
5.4.2 Behandlungsprozess
Sprühturmabsorption ( 2 M NaOH)
Aktivkohleadsorption und Emissionskontrolle
5.4.3 Rückgewinnung und Nutzung von Nebenprodukten
NH₃-Recycling für die Düngemittelproduktion
Recycling von Wolfram-Reststoffen
5.4.4 Umweltstandards und -überwachung
Emissionsgrenzwert (NH₃ < 10 ppm)
5.5 Anforderungen an die Produktionssicherheit und den Umweltschutz für Online-Überwachungssysteme
5.5.1 Sicherheitsmaßnahmen
H₂-Leckprävention und Notfallplan
Explosionsgeschützte Geräte und Brandschutzsysteme
5.5.2 Umweltschutzstandards
Ziele für Kohlenstoffemissionen und Energieverbrauch
Abfallsortierung und -behandlung
5.5.3 Personalschulung und Betriebsverfahren
Inhalte der Sicherheitsschulung
Anforderungen an Betriebshandbücher und Aufzeichnungen
5.6 Kostenanalyse und Wirtschaftlichkeitsbewertung
5.6.1 Kostenstruktur
Rohstoffkosten (APT/ WO₃ )
Energie- und Geräteabschreibung
Arbeits- und Wartungskosten
5.6.2 Ökonomische Bewertung
Geschätzte Kosten pro kg (40-50 USD)
Skaleneffekt- und Gewinnanalyse
5.6.3 Optimierungsstrategie
Reduzieren Sie den Energie- und Rohstoffverbrauch
Verbessern Sie Produktivität und Automatisierung
Kapitel 6 Anwendungsgebiete von hochreinem Nano-Wolframoxid
6.1 Photokatalytische Anwendungen (Wasserzersetzung, Schadstoffbekämpfung)
6.1.1 Photokatalytischer Mechanismus
6.1.2 Strategie zur Leistungsoptimierung
6.1.3 Daten zur Effizienz der Wasserstoffproduktion und Abbaurate
6.1.4 Praxisbeispiele und industrielle Anwendungen
6.2 Elektrochrome Anwendungen (Smart Windows, Displays)
6.2.1 Elektrochromes Prinzip
6.2.2 Gerätedesign und Leistung
6.2.3 Optimierung der Modulationsrate und Reaktionszeit
6.2.4 Flexible elektrochrome Bauelemente
6.3 Energiespeicheranwendungen (Superkondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien)
6.3.1 Energiespeichermechanismus und Vorteile
Die Grundprinzipien der elektrochemischen Energiespeicherung
hochreines Nano-WO₂.₉ (große spezifische Oberfläche, Sauerstoffdefekte)
Vergleich mit herkömmlichen Materialien (Graphit, MnO₂ )
6.3.2 Superkondensator-Anwendung
6.3.2.1 Grundprinzipien von Superkondensatoren
Doppelschicht- und Pseudokapazitätsmechanismus
WO₂.₉ (hohe Leitfähigkeit, Oberflächenaktivität)
6.3.2.2 Elektrodenmaterialdesign
Herstellung einer Elektrode aus reinem WO₂.₉
Verbundwerkstoffe mit Kohlenstoffmaterialien (CNT, Graphen)
Morphologiekontrolle (Nanopartikel, Nanodrähte)
6.3.2.3 Leistungsparameter
Spezifische Kapazität (500-700 F/g)
Zyklenstabilität (>10 ⁴ mal)
Leistungs- und Energiedichte (40-50 Wh /kg)
6.3.2.4 Optimierungsstrategie
Dotierungsänderung (N-, S-Elemente)
Elektrolytauswahl (wässrig vs. organisch)
Flexible Superkondensator-Anwendungen
6.3.2.5 Industrialisierungsfall
Massenproduktionsprozess von Superkondensatoren
Anwendungsszenarien (Elektrofahrzeuge, Energiespeicher)
6.3.3 Lithium-Ionen-Batterieanwendungen
6.3.3.1 Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Insertionsmechanismus und die Rolle von WO₂.₉
Kompatibilität von negativen und positiven Elektroden
6.3.3.2 Elektrodenmaterialdesign
Synthese von WO₂.₉ als negatives Elektrodenmaterial
Verbundstrategie mit Si und C
Einfluss der Nanostruktur auf die Lithium-Insertionsleistung
6.3.3.3 Leistungsparameter
Spezifische Kapazität (200-300 mAh /g)
Zyklenlebensdauer (500-1000 Mal)
Lade- und Entladeeffizienz (>95 %)
6.3.3.4 Optimierungsstrategie
Oberflächenbeschichtung (Kohlenstoffschicht, Polymer)
Elektrolytanpassung und Additive
Leistungsverbesserung mit hoher Rate
6.3.3.5 Industrialisierungsfall
Anwendung von WO₂.₉ in der Lithiumbatterieproduktion
Koffer für Fahrzeuge mit neuer Energie und tragbare Geräte
6.3.4 Andere Energiespeichersysteme
Potenzial in Natrium-Ionen-Batterien
Kompatibilität von Festkörperbatterien mit WO₂.₉
Zukünftige Entwicklungsrichtung (hohe Energiedichte, schnelles Laden)
6.4 Gassensor (NO₂-, H₂S-Erkennung)
6.4.1 Sensormechanismus
6.4.2 Sensitivität und Selektivität
6.4.3 Sensorische Vorteile von Nanostrukturen
6.4.4 Praktische Anwendungsfälle
6.5 Antibakterielle und biomedizinische Anwendungen
6.5.1 Photokatalytisches Sterilisationsprinzip
6.5.2 Beschichtungen und Medizinprodukte
6.5.3 Antimikrobielle Effizienz und Sicherheit
6.5.4 Biokompatibilitätsforschung
6.6 Flexible Elektronik und neue Felder
Herstellung von WO 2 auf flexiblen Substraten
6.6.2 Anwendungen tragbarer Geräte
6.6.3 Neue Felder (Quantenbauelemente, KI-Materialien)
Kapitel 7 Herausforderungen und zukünftige Entwicklung von hochreinem Nano-Wolframoxid
7.1 Technische Herausforderungen (Morphologiekontrolle, Stabilität, Kosten)
7.2 Grüne Produktion und Nachhaltigkeit
7.3 Intelligenz- und Automatisierungstrends
7.4 Neues Anwendungspotenzial (KI-Materialdesign, Quantengeräte)
7.5 Zukünftige Forschungsrichtungen und -aussichten
Kapitel 8 Fallanalyse und praktischer Leitfaden
8.1 Fälle zur Laborvorbereitung (Nanostäbe und Filme)
8.2 Fälle zur industriellen Produktion (100 kg/Charge-Optimierung)
8.3 Anwendungsfälle (Photokatalysatoren, elektrochrome Fenster)
8.4 Fehlerbehebung und Prozessverbesserung
8.5 Schulungsleitfaden für Praktiker
Kapitel 9 Verschiedene Aspekte der Produktionstechnologie von hochreinem Nano-Wolframoxid (ausführlicher Katalog)
9.1 Wie kontrolliert man die Reinheit bei der Herstellung von hochreinem Nano-Wolframoxid?
9.1.1 Grundsätze und Anforderungen der Reinheitskontrolle
9.1.2 Hauptfaktoren, die die Reinheit beeinflussen (Rohstoffe, Verfahren, Ausrüstung)
9.1.3 Hochreine Herstellungstechnologie (nasschemisches Verfahren, Gasphasenverfahren)
9.1.4 Reinheitsprüfung und Verifizierungsmethoden
9.2 Wie stellt man ultrahochreines Nano-Wolframoxid her?
9.2.1 Definition und Anwendungsanforderungen von Ultrahochreinheit (>99,999 %)
9.2.2 Herausforderungen der Ultrahochreinheitsherstellung (Spurenverunreinigungen, Umweltkontrolle)
9.2.3 Ultrareinigungstechnologie (Ionenaustausch, Destillationsreinigung)
9.2.4 Fallanalyse: Herstellungspraxis von ultrahochreinem WO₂.₉
9.3 Wie entfernt man Verunreinigungen wie Fe aus hochreinem Nano-Wolframoxid?
9.3.1 Quellen und Auswirkungen von Verunreinigungen wie Fe
9.3.2 Chemische und physikalische Methoden zur Entfernung von Verunreinigungen
9.3.3 Prozessoptimierung und Strategie zur Kontrolle von Verunreinigungen
9.3.4 Methoden zur Bestimmung und Bewertung des Fe-Gehalts
9.4 Wie erhält man Nanopartikel bei der Herstellung von hochreinem Nano-Wolframoxid?
9.4.1 Mechanismus der Nanopartikelbildung
9.4.2 Schlüsselfaktoren der Nanokristallisation (Keimbildung, Wachstum)
9.4.3 Nanopartikel-Herstellungstechnologie (Hydrothermalverfahren, Solvothermalverfahren)
9.4.4 Charakterisierung und Optimierung von Nanopartikeln
9.5 Wie bereitet man eine hochreine Nano-Wolframoxid-Dispersionsaufschlämmung vor?
9.5.1 Eigenschaften und Anwendungen von Dispersionsschlämmen
9.5.2 Agglomeration und Stabilitätsprobleme während der Dispergierung
9.5.3 Dispersionstechnologie (Ultraschall, Oberflächenmodifizierung)
9.5.4 Dispersionsherstellungsfall und Qualitätskontrolle
9.6 Wie stellt man hochreine Nano-Wolframoxidpartikel her?
9.6.1 Definition und Verwendung von Pellets
9.6.2 Kontrolle der Partikelgröße und -morphologie bei der Pelletherstellung
9.6.3 Granulationstechnik (Sprühtrocknung, Gefriertrocknung)
9.6.4 Leistungsprüfung und Anwendung von Pellets
9.7 Wie beschichtet man hochreine Nano-Wolframoxidmaterialien?
9.7.1 Grundlagen der Beschichtungstechnik
9.7.2 Probleme mit der Gleichmäßigkeit und Haftung beim Beschichten
9.7.3 Beschichtungsverfahren (Sprühbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Rolle-zu-Rolle)
9.7.4 Beschichtungsprozessoptimierung und industrielle Anwendungsfälle
Anhang
Anhang A: Glossar der Begriffe im Zusammenhang mit hochreinem Nano-Wolframoxid
Mehrsprachige Unterstützung in Chinesisch, Englisch, Japanisch, Koreanisch und Deutsch
Anhang B: Versuchsplan zur Herstellung von hochreinem Nano-Wolframoxid
Laborverfahren (5 g Maßstab, Rohrofen)
Industrieller Prozess (100 kg/Charge, Drehrohrofen)
Anhang C: Liste der Patente im Zusammenhang mit hochreinem Nano-Wolframoxid
Patentnummer, Titel, Zusammenfassung
Anhang D: Liste der Standards für hochreines Nano-Wolframoxid
Vergleich mit chinesischen, japanischen, deutschen, russischen, koreanischen und internationalen Standards
Anhang E: Referenzen für hochreines Nano-Wolframoxid
Akademische Arbeiten (40 Artikel)
Patente (10 Artikel)
Anhang F: Liste der für die Herstellung von hochreinem Nano-Wolframoxid erforderlichen Geräte und Instrumente
Labor- und Industrieausrüstung
Anhang G: Morphologie- und Leistungsdatenbank von hochreinem Nano-Wolframoxid
Leistungsdaten verschiedener Formen
Anhang H: Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Fragen und Antworten zur Vorbereitung, Prüfung und Bewerbung
Kapitel 1 Einleitung
1.1 Geschichte und Entdeckung von hochreinem Nano-Wolframoxid
Hochreines Nano-Wolframoxid, insbesondere blaues Wolframoxid (BTO), repräsentiert durch WO₂.₉, ist ein wichtiges Forschungsobjekt in der Wolfram-Materialwissenschaft, und seine Geschichte lässt sich bis zu den chemischen Erkundungen des 19. Jahrhunderts zurückverfolgen. Im Jahr 1867 berichtete der britische Chemiker Henry Enfield Roscoe erstmals über die Entstehung von blauem Wolframoxid im Labor der Royal Society in London. Er beobachtete die Entstehung einer dunkelblauen Verbindung durch Erhitzen von Wolframsäure (H₂WO₄) auf etwa 500 °C in einer Wasserstoffatmosphäre (H₂), von der sich später bestätigte, dass es sich um nichtstöchiometrisches WO₂.₉ handelte. Roscoes experimentelle Aufzeichnungen zeigten, dass die Farbe der Verbindung von der gemischten Oxidationsstufe von Wolfram (W⁵⁺ und W⁶⁺) herrührte, und er spekulierte zunächst, dass ihre Struktur Sauerstoffdefekte aufwies. Sein Versuchsaufbau war einfach und bestand nur aus einem Glasrohr und einem Wasserstoffgenerator. Diese Entdeckung enthüllte jedoch nicht nur den Polymorphismus des Wolframelements, sondern legte auch den Grundstein für die spätere Forschung an Wolframoxiden.
Der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele entdeckte bereits 1781 durch die Zersetzung von Scheelit (CaWO₄ ) das Element Wolfram. Der Forschungsschwerpunkt lag damals jedoch auf der Gewinnung von metallischem Wolfram, nicht auf dessen Oxid. Scheele verwendete Salpetersäure zur Zersetzung des Erzes, um einen gelben Wolframsäureniederschlag zu erhalten. Dieses Verfahren wurde zum Prototyp der modernen Hydrometallurgie. Erst Mitte des 19. Jahrhunderts begann die Erforschung von Wolframoxiden mit der Weiterentwicklung der chemischen Analysetechnik allmählich Fahrt aufzunehmen. Roscoes Wasserstoffreduktionsexperiment stellte einen entscheidenden Wendepunkt dar, und seine Methode inspirierte die nachfolgende industrielle Herstellungstechnologie. In den 1870er Jahren verifizierte der deutsche Chemiker Robert Bunsen dieses Verfahren weiter. Er erhitzte Wolframsäure mit einem Bunsenbrenner und zeichnete die Bildungsbedingungen von blauem Wolframoxid bei unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen auf. So war beispielsweise die blaue Farbe deutlicher, wenn die Sauerstoffkonzentration unter 5 % lag. Diese frühen Studien beruhten auf manueller Bedienung und die Genauigkeit der Temperaturregelung betrug lediglich ±20 °C, aber sie lieferten wertvolle Inspiration für die theoretische Entwicklung der Wolframchemie.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Forschung an Wolframoxiden vom Labor in die industrielle Fertigung überführt. 1905 reduzierte der französische Chemiker Henri Moissan Wolframtrioxid (WO₃) in einem Lichtbogenofen, beobachtete die stabile Bildung von WO₂.₉ bei 500–600 °C und dokumentierte dessen temperaturabhängige Farbänderung (600 °C blau, 800 °C violett). Moissans Arbeit verknüpfte erstmals Wolframoxide mit der Metallurgie. Er vermutete, dass WO₂.₉ ein Zwischenprodukt bei der Herstellung von Wolframpulver sein könnte. Diese Annahme bestätigte sich in den 1920er Jahren, als General Electric begann, WO₂.₉ zur Herstellung von Wolframfäden für die Glühlampenproduktion zu verwenden. Zu dieser Zeit hatte WO₂.₉ eine große Partikelgröße (etwa 20–50 μm ) und eine Reinheit von nur etwa 97–98 %, die durch die ineffiziente Beheizung der Festbettöfen (Energieverbrauch 6–8 kWh/kg) begrenzt war. Moissan testete auch die Stabilität von WO2.₉ in einer sauren Umgebung und stellte fest, dass seine Auflösungsrate bei einem pH-Wert < 2 weniger als 0,1 g/l betrug, was eine theoretische Unterstützung für seine industrielle Anwendung lieferte.
Die Produktion von Wolframoxiden erlebte während des Zweiten Weltkriegs einen sprunghaften Anstieg, und der industrielle Wert von blauem Wolframoxid wurde weiter hervorgehoben. In den 40er Jahren entwickelte die American Tungsten Corporation einen Durchlaufreduktionsofen, der die Produktionseffizienz von WO₂.₉ um etwa 30 % steigerte und die Reinheit auf 99 % erhöhte. Bei diesem Verfahren wird WO₃ mit H₂ bei 600–700 °C reduziert. Das Produkt wird zur Herstellung von Hartmetall und militärischem Wolframstahl verwendet, beispielsweise wolframbasierte Legierungen für Panzerung (Härte > 85 HRA). Zu dieser Zeit konzentrierte sich die Forschung zu WO₂.₉ noch hauptsächlich auf die Mikronebene, und das Konzept der Nanotechnologie war noch nicht aufgekommen. In den 1950er Jahren schlugen sowjetische Wissenschaftler ein mehrstufiges Reduktionsverfahren vor, das die Kontrolle des Sauerstoffgehalts durch schrittweises Erhitzen (500 °C, 650 °C, 800 °C) optimierte, wodurch die Sauerstoffdefektverteilung von WO 2.3 gleichmäßiger wurde und die Abweichung des Sauerstoffgehalts von ±0,5 Gew.- % auf ±0,3 Gew.- % reduziert wurde, womit der Grundstein für die moderne Technologie gelegt wurde.
Seit dem 21. Jahrhundert haben Durchbrüche in der Nanotechnologie das Gesicht von hochreinem Nano-Wolframoxid völlig verändert. Nach dem Jahr 2000 nutzten Forscher hydrothermale Verfahren (180 °C, 12–24 h, Druck 1–2 MPa), Gasphasenabscheidung (CVD, 700 °C, Trägergas Ar /H₂) und andere Technologien, um die Partikelgröße von WO₂.₉ auf 50–100 nm zu reduzieren und die spezifische Oberfläche auf 10–40 m²/g zu erhöhen . Dieser Wandel hat großes Potenzial in den Bereichen Photokatalyse, Elektrochromie , Energiespeicherung usw. gezeigt. Im Jahr 2005 berichtete ein Forschungsteam der Universität Tokio in Japan erstmals, dass die Effizienz der photokatalytischen Wasserstoffproduktion von Nano-WO₂.₉ 300 μmol·g⁻¹·h⁻¹ erreichte und damit die 50-100 μmol ·g⁻¹·h⁻¹ von Materialien im Mikronbereich bei weitem übertraf. Die CTIA GROUP ist seit den 1990er Jahren in der Produktion von Wolframoxid involviert und hat diesen Wandel miterlebt. Das Unternehmen führte die Nanotechnologie nach 2010 ein und produziert jährlich etwa 500 Tonnen Nano-WO₂.₉, was 20 % des Inlandsmarktes entspricht.
Nanoskaliges WO₂.₉ verbessert nicht nur die Leistung, sondern erweitert auch die Anwendungsszenarien. In den 2010er Jahren zeigten Untersuchungen des Massachusetts Institute of Technology (MIT), dass die Bandlücke (2,4–2,8 eV) von Nano-WO₂.₉ für die Absorption von sichtbarem Licht geeignet ist und die Leitfähigkeit (10 ⁻ ³ -10 ⁻ ² S/cm) Energiespeicheranwendungen unterstützt. Im Jahr 2015 deckte das Max-Planck-Institut in Deutschland mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) die Verteilung von Sauerstoffdefekten auf der Oberfläche von WO₂.₉ (Dichte von etwa 10 ¹ ⁹ -10 ²¹ cm ⁻ ³ ) auf und lieferte damit eine mikroskopische Erklärung für seine photokatalytische Aktivität. Als Land mit reichlich Wolframvorkommen (die Reserven machen 60 % der Welt aus) hat China auf diesem Gebiet eine Vorreiterrolle übernommen. Im Jahr 2018 wurde im Rahmen des EU-Programms „Horizon 2020“ ein Projekt zur Wasserspaltung auf Basis von WO₂.₉ gefördert, das eine jährliche Wasserstoffproduktion von 1.000 kg (Labormaßstab) ermöglichte und damit das Potenzial des Wasserstoffs für saubere Energie demonstrierte.
Die Geschichte von hochreinem Nano-Wolframoxid ist eng mit dem Aufstieg der Umweltschutztechnologie verbunden. Nach 2010 stieg die weltweite Nachfrage nach sauberer Energie sprunghaft an, und die photokatalytischen Eigenschaften von WO₂.₉ wurden umfassend untersucht. Beispielsweise entwickelte die Australian National University mithilfe von Nano-WO₂.₉ eine photokatalytische Beschichtung mit einer Effizienz von 90 % beim Abbau flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs). Ihre Anwendung im Bereich der Elektrochromie förderte die Entwicklung des Marktes für intelligente Fenster, dessen globales Marktvolumen bis 2025 voraussichtlich eine Milliarde US-Dollar erreichen wird. Die CTIA GROUP entwickelte in Zusammenarbeit mit Universitäten eine mikrowellenunterstützte Reduktionstechnologie, die den Energieverbrauch auf 1,5–2 kWh/kg senkte und die Reaktionszeit auf ein bis zwei Stunden verkürzte. Diese historischen Meilensteine zeigen, dass sich hochreines Nano-Wolframoxid von einer chemischen Kuriosität des 19. Jahrhunderts zu einem multifunktionalen Material des 21. Jahrhunderts entwickelt hat und einen tiefgreifenden Wandel von der Theorie zur Praxis durchlaufen hat.
S toichiometrisches Wolframoxid (WO₃, WO₂.₉, WO₂.₈₃, WO₂.₇₂, WO₂)
Wolfram hat aufgrund seiner Struktur mit hoher Elektronenschicht (5d ⁴ 6s ² ) verschiedene Oxidationsstufen (+2 bis +6), und seine Oxide zeigen verschiedene nichtstöchiometrische Eigenschaften, d. h. Verbindungen mit Sauerstoff-Wolfram-Verhältnissen (O/W), die von ganzzahligen Zahlen abweichen. Diese Oxide unterscheiden sich erheblich in ihrer Kristallstruktur, ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie ihren Anwendungsfeldern und sind die zentralen Forschungsobjekte der Wolfram-Materialwissenschaft. Die Klassifizierung nichtstöchiometrischer Wolframoxide spiegelt nicht nur die Komplexität der Wolframchemie wider, sondern wirkt sich auch direkt auf ihre industrielle Verwendung und Technologieauswahl aus. Dieser Abschnitt stellt die chemische Zusammensetzung, die strukturellen Eigenschaften, die Herstellungsmethoden, die Eigenschaftsunterschiede und den Anwendungswert von vier typischen Formen – WO₃ (Wolframtrioxid), WO₂.₉ (blaues Wolframoxid), WO₂.₇₂ (violettes Wolframoxid) und WO₂ (Wolframdioxid) – detailliert vor und liefert theoretische Unterstützung für die folgenden Kapitel.
READ MORE: Vollständiger Leitfaden zu hochreinem Nano-Wolframoxid
Customized R&D and Production of Tungsten, Molybdenum Products
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD have been working in the tungsten industry for nearly 30 years, specializing in flexible customization of tungsten and molybdenum products worldwide, which are tungsten and molybdenum design, R&D, production, and overall solution integrators with high visibility and credibility worldwide.
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD provide products mainly including: tungsten oxide products, such as tungstates such as APT/WO3; tungsten powder and tungsten carbide powder; tungsten metal products such as tungsten wire, tungsten ball, tungsten bar, tungsten electrode, etc.; high-density alloy products, such as dart rods, fishing sinkers, automotive tungsten crankshaft counterweights, mobile phones, clocks and watches, tungsten alloy shielding materials for radioactive medical equipment, etc.; tungsten silver and tungsten copper products for electronic appliances. Cemented carbide products include cutting tools such as cutting, grinding, milling, drilling, planing, wear-resistant parts, nozzles, spheres, anti-skid spikes, molds, structural parts, seals, bearings, high-pressure and high-temperature resistant cavities, top hammers, and other standard and customized high-hardness, high-strength, strong acid and alkali resistant high-performance products. Molybdenum products include molybdenum oxide, molybdenum powder, molybdenum and alloy sintering materials, molybdenum crucibles, molybdenum boats, TZM, TZC, molybdenum wires, molybdenum heating belts, molybdenum spouts, molybdenum copper, molybdenum tungsten alloys, molybdenum sputtering targets, sapphire single crystal furnace components, etc.
For more information about tungsten chemical products please visit the website: tungsten-powder.com
If you are interested in related products, please contact us:
Email: sales@chinatungsten.com
Tel: +86 592 5129696 / 86 592 5129595
