Prefacio
El propósito y la importancia de escribir el libro “Óxido de tungsteno de alta pureza: ciencia física y química, producción y aplicaciones”.
El propósito de este libro, “Óxido de tungsteno de alta pureza: Ciencia y aplicaciones”, es analizar sistemáticamente la base científica, el progreso tecnológico y la amplia aplicación del óxido de tungsteno de alta pureza (WO₃ ) en diversos campos, y proporcionar una guía de referencia completa y fiable para investigadores, ingenieros y profesionales de la industria. Como material funcional con propiedades físicas y químicas únicas, el óxido de tungsteno de alta pureza se ha convertido en un material estrella en el campo de la ciencia de los materiales y la nanotecnología gracias a su alta pureza (generalmente >99,95%), banda prohibida ajustable (2,2-2,8 eV), excelentes propiedades eléctricas y ópticas, y efectos especiales a escala nanométrica. Tanto en la producción tradicional de tungsteno como en las emergentes aplicaciones fotocatalíticas, electrocrómicas, de sensores y biomédicas, el WO₃ de alta pureza ha demostrado un valor insustituible.
El propósito de escribir este libro no es solo resumir el conocimiento existente, sino también llenar el vacío entre la investigación y la aplicación del óxido de tungsteno de alta pureza. En la actualidad, a pesar del aumento en el número de literatura de investigación y patentes relacionadas con WO₃ , todavía hay una falta de monografías que integren sistemáticamente sus teorías básicas, técnicas de preparación, métodos de caracterización y escenarios de aplicación. Este libro se esfuerza por proporcionar a los lectores un marco de conocimiento completo de la teoría a la práctica a través de un análisis en profundidad de la estructura y las propiedades del WO₃ de alta pureza , la preparación de variantes (como el óxido de tungsteno amarillo, azul, morado y naranja) y los desafíos industriales. Además, este libro presta especial atención al efecto de la alta pureza en la mejora del rendimiento del material, explorando su potencial en tecnologías futuras como la óptica cuántica, las aplicaciones espaciales y los materiales inteligentes, con el objetivo de promover el WO₃ desde el laboratorio a una industrialización más amplia.
La importancia de este libro también se refleja en su carácter interdisciplinario. La aplicación del óxido de tungsteno de alta pureza abarca los campos de la ciencia de los materiales, la ingeniería química, la tecnología energética, las ciencias ambientales, la ingeniería electrónica y la biomedicina. Su investigación no solo representa un avance en una sola disciplina, sino también un modelo de innovación colaborativa en múltiples campos. Con este libro, esperamos despertar el interés de los lectores en el WO₃ de alta pureza , promover una estrecha colaboración entre el mundo académico y la industria, e impulsar conjuntamente el desarrollo de este material.
Antecedentes de investigación e historia del desarrollo del óxido de tungsteno de alta pureza
La historia de la investigación y aplicación del óxido de tungsteno de alta pureza se remonta al comienzo de la industrialización de los materiales de tungsteno a finales del siglo XIX. El elemento tungsteno (W, número atómico 74) se utilizó para hacer filamentos y aleaciones ya a principios del siglo XX debido a su alto punto de fusión (3422 °C) y excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, el óxido de tungsteno (WO ₃ ) , como precursor de los materiales de tungsteno, se consideró inicialmente solo como un producto intermedio en el proceso metalúrgico, y sus propias propiedades funcionales no atrajeron una atención generalizada. No fue hasta mediados del siglo XX, con el auge de la tecnología de semiconductores y la investigación fotoquímica, que las propiedades ópticas y eléctricas del WO₃ comenzaron a explorarse en profundidad. En la década de 1950, los científicos descubrieron que el WO₃ tiene propiedades semiconductoras de banda prohibida amplia (alrededor de 2,6-2,8 eV) y exhibe cierta actividad catalítica bajo la luz. Este descubrimiento sentó las bases para sus aplicaciones posteriores.
El auge real del óxido de tungsteno de alta pureza está estrechamente relacionado con el desarrollo de la nanotecnología. En la década de 1990, el auge de la investigación en nanomateriales promovió la preparación refinada y la optimización del rendimiento de WO ₃ . A través del método hidrotérmico, el método de deposición de vapor y otras técnicas, los investigadores prepararon con éxito nanopartículas de WO₃ de alta pureza con un tamaño de partícula de menos de 100 nm, y su área de superficie específica (20-60 m ² /g), eficiencia fotocatalítica y conductividad se mejoraron significativamente. Al mismo tiempo, el avance de la tecnología de regulación de vacantes de oxígeno ha generado una variedad de variantes de WO ₃ , como el óxido de tungsteno azul (WO ₂ . ₉ ), el óxido de tungsteno púrpura (WO ₂ . ₇₂ ) y el óxido de tungsteno naranja (WO ₂ . ₉₀ ) . Estos materiales no estequiométricos han ampliado los escenarios de aplicación del WO₃ debido a las diferencias de color, brecha de banda y propiedades eléctricas. Por ejemplo, el WO₃ azul y morado se prefiere en la producción de polvo de tungsteno debido a sus rápidas tasas de reducción, mientras que el WO₃ amarillo es la primera opción en la investigación fotocatalítica debido a su alta estabilidad.
Al entrar en el siglo XXI, la investigación sobre WO₃ de alta pureza experimentó un rápido desarrollo. Después del año 2000, con la intensificación de la crisis energética y los problemas ambientales, su aplicación en la descomposición fotocatalítica del agua, la degradación de contaminantes y las ventanas inteligentes electrocrómicas recibió una atención generalizada. Desde 2010, los avances en nanotecnología han diversificado las funciones del WO₃. Por ejemplo, han surgido gradualmente sus aplicaciones en supercondensadores, sensores de gas y campos biomédicos. Al mismo tiempo, los avances en la tecnología de preparación de alta pureza (como el control de impurezas a nivel de ppm) han mejorado significativamente la estabilidad del rendimiento del WO₃ , promoviéndolo de la investigación de laboratorio a la producción industrial. En los últimos años, también se ha explorado inicialmente el potencial del WO₃ en campos de vanguardia como la óptica cuántica, el control térmico espacial y los textiles inteligentes, lo que presagia sus ilimitadas posibilidades en el futuro.
Al analizar la historia del desarrollo del óxido de tungsteno de alta pureza, su evolución desde una única materia prima metalúrgica hasta un nanomaterial multifuncional refleja la coevolución de la ciencia y la tecnología. Con base en este contexto histórico, este libro pretende presentar a los lectores una visión completa del WO₃ de alta pureza y anticipar su papel en la innovación tecnológica futura.
Público objetivo y guía del usuario
Este libro es amplio y abarca a profesionales y estudiantes de una variedad de campos:
Dirigido a investigadores
de ciencia de materiales, química, física y nanotecnología, este libro proporciona información detallada sobre la estructura y las propiedades del WO₃ de alta pureza (Capítulo 2), los métodos de preparación (Capítulo 3) y las técnicas de caracterización (Capítulo 4), que puede utilizarse como referencia para la investigación teórica y el diseño experimental. Asimismo, la comparación sistemática de las variantes del WO₃ en el Capítulo 5 y el análisis de sus aplicaciones en el Capítulo 6 inspiran nuevas líneas de investigación.
Ingenieros y técnicos.
Para ingenieros y técnicos dedicados a la producción de materiales de tungsteno, equipos fotocatalíticos, diseño de sensores o desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía, la tecnología de industrialización del Capítulo 7 y los escenarios de aplicación específicos del Capítulo 6 (como la producción de polvo de tungsteno y sensores de gas) ofrecen orientación práctica. Además, las normas y especificaciones del Capítulo 8 pueden ayudar a garantizar que los productos cumplan con los requisitos internacionales y locales.
Estudiantes y docentes.
Para estudiantes de último año de pregrado, posgrado y docentes en ciencia de materiales, ingeniería química o campos afines, la estructura progresiva de este libro, que abarca desde los conocimientos básicos hasta las aplicaciones más avanzadas, es ideal para la enseñanza y el aprendizaje. Los primeros cinco capítulos pueden utilizarse como libro de texto introductorio, y la sección de aplicaciones del capítulo 6 puede utilizarse para la enseñanza de casos prácticos o como referencia para la selección de temas para trabajos académicos.
Tomadores de decisiones de la industria e inversores
Para inversores o gerentes de empresas que estén interesados en la industria de nuevos materiales, este libro proporciona un análisis del potencial técnico, las aplicaciones de mercado y las tendencias futuras del WO₃ de alta pureza (Capítulos 6 y 7), lo que ayuda a evaluar su valor comercial y sus riesgos técnicos.
CONTENIDO
Prefacio
Antecedentes de investigación e historia del desarrollo del óxido de tungsteno de alta pureza
Público objetivo y guía del usuario
Capítulo 1: Descripción general del óxido de tungsteno de alta pureza
1.1 Definición y clasificación del óxido de tungsteno de alta pureza
1.1.1 Composición química y estándares de pureza
1.1.2 Variantes no estequiométricas del óxido de tungsteno (WO₃₋ ₓ )
1.1.3 La diferencia entre el óxido de tungsteno de alta pureza y el ordinario
1.2 Historia y desarrollo del óxido de tungsteno de alta pureza
1.2.1 Descubrimiento temprano y aplicación industrial
1.2.2 Avances en la era de la nanotecnología
1.3 La importancia del óxido de tungsteno de alta pureza
1.3.1 Estado actual de la ciencia de los materiales
1.3.2 Factores impulsores de las aplicaciones industriales y tecnológicas
Capítulo 2: Estructura y propiedades del óxido de tungsteno de alta pureza
2.1 Estructura cristalina
2.1.1 Fases monoclínicas, ortorrómbicas y cúbicas
2.1.2 Efecto de las vacantes de oxígeno en la estructura
2.1.3 Caracterización por difracción de rayos X y parámetros de red
2.2 Propiedades físicas
2.2.1 Densidad y propiedades termodinámicas
2.2.2 Propiedades ópticas (banda prohibida, espectro de absorción)
2.2.3 Propiedades eléctricas (conductividad, concentración de portadores)
2.3 Propiedades químicas
2.3.1 Características redox
2.3.2 Química de la superficie y comportamiento de adsorción
2.3.3 Efecto de la alta pureza en la estabilidad química
2.4 Propiedades a escala nanométrica
2.4.1 Área superficial específica y estructura de poros
2.4.2 Efectos cuánticos y dependencia del tamaño
Capítulo 3: Método de preparación de óxido de tungsteno de alta pureza
3.1 Deposición química de vapor (CVD)
3.1.1 Principio del proceso y equipo
3.1.2 Optimización de parámetros y control de pureza
3.1.3 Casos de preparación de películas y polvos
3.2 Métodos hidrotermales y solvotermales
3.2.1 Mecanismo y condiciones de reacción
3.2.2 Control de la morfología de las nanoestructuras
3.2.3 Tecnologías clave para lograr una alta pureza
3.3 Método de precipitación
3.3.1 Selección de materia prima y proceso de reacción
3.3.2 Separación y purificación de impurezas
3.3.3 Viabilidad de la producción industrial
3.4 Método de fase sólida de alta temperatura
3.4.1 Proceso de calcinación y reducción
3.4.2 Control de la atmósfera y garantía de pureza
3.4.3 Preparación de óxido de tungsteno azul, morado y naranja
3.5 Otros métodos emergentes
3.5.1 Tratamiento con plasma
3.5.2 Método sol-gel
3.5.3 Síntesis asistida por microondas
3.6 Comparación de métodos de preparación
3.6.1 Compensación entre pureza y rendimiento
3.6.2 Análisis de costos y escalabilidad
Capítulo 4: Tecnología de caracterización del óxido de tungsteno de alta pureza
4.1 Caracterización estructural
4.1.1 Difracción de rayos X (DRX)
4.1.2 Espectroscopia Raman
4.1.3 Microscopio electrónico de transmisión (MET) y microscopio electrónico de barrido (SEM)
4.2 Análisis de la composición química
4.2.1 Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS)
4.2.2 Espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES)
4.2.3 Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
4.3 Prueba de rendimiento físico
4.3.1 Área superficial específica y análisis de poros (BET)
4.3.2 Espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis)
4.3.3 Método de cuatro sondas y medición de conductividad
4.4 Análisis de características nanométricas
4.4.1 Dispersión dinámica de luz (DLS) y distribución del tamaño de partículas
4.4.2 Análisis termogravimétrico (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC)
4.5 Interpretación y aplicación de los resultados de caracterización
4.5.1 Análisis cuantitativo de vacantes y defectos de oxígeno
4.5.2 Método de verificación de alta pureza
Capítulo 5: Variantes del óxido de tungsteno de alta pureza
5.1 Óxido de tungsteno amarillo (YTO)
5.1.1 Estructura y propiedades
5.1.2 Método de preparación
5.1.3 Áreas de aplicación
5.2 Óxido de tungsteno azul (BTO)
5.2.1 Estructura y propiedades
5.2.2 Método de preparación
5.2.3 Áreas de aplicación
5.3 Óxido violeta de tungsteno (VTO)
5.3.1 Estructura y propiedades
5.3.2 Método de preparación
5.3.3 Áreas de aplicación
5.4 Óxido de tungsteno naranja (OTO)
5.4.1 Estructura y propiedades
5.4.2 Método de preparación
5.4.3 Áreas de aplicación
5.5 Comparación entre variantes
5.5.1 Efecto de la concentración de vacantes de oxígeno
5.5.2 Diferencias en propiedades ópticas y eléctricas
5.5.3 Aplicabilidad de los escenarios de aplicación
Capítulo 6: Aplicación de óxido de tungsteno de alta pureza
6.1 Producción de material de tungsteno
6.1.1 Preparación de polvo de tungsteno de alta pureza
6.1.1.1 Materiales de emisión de electrones
6.1.1.2 Producción de objetivos de tungsteno
6.1.1.3 Fabricación de alambre y filamento de tungsteno
6.1.2 Carburo cementado y aleaciones de alta temperatura
6.1.2.1 Herramientas de corte
6.1.2.2 Componentes aeroespaciales
6.1.2.3 Recubrimiento resistente al desgaste
6.1.2.4 Materiales militares
6.1.3 Potencial futuro
6.1.3.1 Polvo de tungsteno ultrafino e impresión 3D
6.1.3.2 Aleaciones de alta entropía
6.1.3.3 Materiales compuestos a base de tungsteno
6.1.3.4 Tecnología metalúrgica verde
6.2 Fotocatálisis y aplicaciones ambientales
6.2.1 División fotocatalítica del agua y producción de hidrógeno
6.2.1.1 Producción de combustible de hidrógeno
6.2.1.2 Dispositivos de energía portátiles
6.2.1.3 Recuperación de hidrógeno como subproducto industrial
6.2.2 Degradación de contaminantes y purificación del aire
6.2.2.1 Tratamiento de aguas residuales
6.2.2.2 Equipos de purificación de aire
6.2.2.3 Tratamiento de gases residuales industriales
6.2.2.4 Degradación de residuos agrícolas
6.2.3 Potencial futuro
6.2.3.1 Conversión de CO₂
6.2.3.2 Superficies autolimpiables
6.2.3.3 Purificación antimicrobiana
6.2.3.4 Pilas de combustible fotocatalíticas
6.2.3.5 Monitoreo y remediación ambiental
6.3 Materiales electrocrómicos e inteligentes
6.3.1 Ventanas y dispositivos de visualización inteligentes
6.3.1.1 Construcción de ventanas de ahorro energético
6.3.1.2 Espejo retrovisor del coche
6.3.1.3 Pantalla de visualización flexible
6.3.1.4 Ventanas de aviación
6.3.2 Optimización del rendimiento electrocrómico
6.3.2.1 Etiquetas electrónicas
6.3.2.2 Gafas inteligentes
6.3.2.3 Vallas publicitarias dinámicas
6.3.2.4 Camuflaje militar
6.3.3 Potencial futuro
6.3.3.1 Cambio de color multicolor
6.3.3.2 Materiales inteligentes flexibles
6.3.3.3 Control coordinado de calor y electricidad
6.3.3.4 Óptica adaptativa
6.3.3.5 Visualización de la interfaz neuronal
6.4 Tecnología de sensores
6.4.1 Sensor de gas
6.4.1.1 Monitoreo ambiental
6.4.1.2 Seguridad industrial
6.4.1.3 Detección de gases de escape de automóviles
6.4.1.4 Pruebas del aire interior
6.4.2 Sensores electroquímicos
6.4.2.1 Monitoreo de la calidad del agua
6.4.2.2 Pruebas de seguridad alimentaria
6.4.2.3 Diagnóstico médico
6.4.2.4 Control de procesos industriales
6.4.3 Potencial futuro
6.4.3.1 Sensor multifuncional
6.4.3.2 Sensores portátiles
6.4.3.3 Sensores autoalimentados
6.4.3.4 Sensores neuronales
6.4.3.5 Miniaturización e integración
6.5 Almacenamiento de energía y conversión de energía
6.5.1 Supercondensadores y baterías
6.5.1.1 Dispositivos electrónicos portátiles
6.5.1.2 Almacenamiento de energía de vehículos eléctricos
6.5.1.3 Almacenamiento de energía renovable
6.5.1.4 Mejora de la microbatería
6.5.2 Conversión fototérmica y aprovechamiento de la energía solar
6.5.2.1 Calentadores solares de agua
6.5.2.2 Calefacción de edificios
6.5.2.3 Generación de energía solar térmica
6.5.2.4 Calefacción textil
6.5.3 Potencial futuro
6.5.3.1 Baterías de estado sólido
6.5.3.2 Materiales termoeléctricos
6.5.3.3 Integración fotovoltaica y de almacenamiento
6.5.3.4 Almacenamiento de energía flexible
6.5.3.5 Transferencia de calor asistida por energía nuclear
6.6 Aplicaciones ópticas y electrónicas
6.6.1 Recubrimientos y filtros ópticos
6.6.1.1 Protección láser
6.6.1.2 Filtros fotográficos
6.6.1.3 Recubrimiento antirreflectante
6.6.1.4 Aplicaciones del espejo térmico
6.6.2 Dispositivos semiconductores
6.6.2.1 Fotodetector
6.6.2.2 Transistor de efecto de campo
6.6.2.3 Circuitos flexibles
6.6.2.4 Fabricación de memoria
6.6.3 Potencial futuro
6.6.3.1 Óptica cuántica
6.6.3.2 Película conductora transparente
6.6.3.3 Cristales fotónicos
6.6.3.4 Óptica no lineal
6.6.3.5 Almacenamiento holográfico
6.7 Aplicaciones biomédicas y sanitarias
6.7.1 Antibacteriano y Desinfección
6.7.1.1 Recubrimientos de dispositivos médicos
6.7.1.2 Purificación y desinfección del agua
6.7.1.3 Desinfección del aire
6.7.1.4 Envases de alimentos
6.7.2 Administración de fármacos y obtención de imágenes
6.7.2.1 Terapia dirigida contra el cáncer
6.7.2.2 Sondas de bioimagen
6.7.2.3 Entrega de genes
6.7.2.4 Cicatrización de heridas
6.7.3 Potencial futuro
6.7.3.1 Terapia fotodinámica
6.7.3.2 Biosensores
6.7.3.3 Ingeniería de tejidos
6.7.3.4 Reparación neural
6.7.3.5 Materiales para implantación
6.8 Otras aplicaciones emergentes
6.8.1 Portador de catalizador
6.8.1.1 Purificación de gases de escape
6.8.1.2 Síntesis química
6.8.1.3 Pilas de combustible
6.8.1.4 Sinergia fotocatalítica
6.8.2 Blindaje contra la radiación
6.8.2.1 Protección médica
6.8.2.2 Blindaje de la industria nuclear
6.8.2.3 Detección de espacio
6.8.2.4 Pruebas industriales
6.8.3 Potencial futuro
6.8.3.1 Recubrimientos de control térmico espacial
6.8.3.2 Textiles inteligentes
6.8.3.3 Almacenamiento cuántico
6.8.3.4 Materiales acústicos
6.8.3.5 Recolección de energía
6.9 Resumen y perspectiva de la aplicación
6.9.1 Descripción general de las aplicaciones existentes
6.9.2 Tendencias futuras
6.9.2.1 Integración multifuncional
6.9.2.2 Tecnología verde
6.9.2.3 Nanotecnología e inteligencia
6.9.2.4 Expansión entre dominios
6.9.3 Desafíos técnicos y contramedidas
Capítulo 7: Industrialización y desafíos técnicos del óxido de tungsteno de alta pureza
7.1 Proceso de producción industrial
7.1.1 Purificación y procesamiento de materias primas
7.1.2 Tecnología de preparación a gran escala
7.2 Control de pureza y garantía de calidad
7.2.1 Detección y eliminación de impurezas
7.2.2 Certificación y estándares de calidad
7.3 Desafíos técnicos y soluciones
7.3.1 Problemas de estabilidad térmica y oxidación
7.3.2 Control de dispersión y aglomeración a nanoescala
7.3.3 Optimización de costes y requisitos de protección ambiental
7.4 Dirección de desarrollo futuro
7.4.1 Nueva tecnología y producción inteligente
7.4.2 Exploración del límite de alta pureza
Capítulo 8: Normas y especificaciones para óxido de tungsteno de alta pureza
8.1 Normas chinas
8.1.1 GB/T 32698-2016 Polvo de óxido de nanotungsteno
8.1.2 GB/T 42272-2022 Evaluación del rendimiento fotocatalítico de nanomateriales
8.2 Normas internacionales
8.2.1 Determinación del área superficial BET según ISO 9277:2022
8.2.2 ISO/TS 80004-1:2015 Terminología de nanotecnología
8.3 Aplicación y cumplimiento de normas
8.3.1 Selección de métodos de detección
8.3.2 Coordinación entre las normas internacionales y la localización
Un apéndice
Apéndice A: Glosario de términos relacionados con el óxido de tungsteno de alta pureza
Comparación de varios idiomas: chino, inglés, japonés y coreano
Apéndice B: Plan experimental para la preparación de óxido de tungsteno de alta pureza
Ejemplos de procesos de laboratorio e industriales
Apéndice C: Lista de patentes relacionadas con el óxido de tungsteno de alta pureza
Número de patente, título y resumen
Apéndice D: Lista de estándares para óxido de tungsteno de alta pureza
Comparación con estándares chinos, japoneses, alemanes, rusos, coreanos e internacionales
Apéndice E: Referencias de óxido de tungsteno de alta pureza
Artículos académicos, patentes, normas y libros
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