Tabla de contenido
Capítulo 1: Introducción
1.1 Definición e importancia del óxido de tungsteno violeta
1.2 Historia y progreso de la investigación del óxido de tungsteno violeta
1.3 Estructura y objetivos de este libro
Capítulo 2: Estructura y propiedades del óxido de tungsteno púrpura
2.1 Estructura cristalina y composición química
2.1.1 Propiedades no estequiométricas de W₁₈O₄₉
2.1.2 Características microscópicas de la estructura en forma de aguja
2.2 Propiedades físicas
2.2.1 Propiedades ópticas (banda prohibida y absorción)
2.2.2 Propiedades eléctricas (conductividad y migración de portadores)
2.3 Propiedades químicas
2.3.1 Comportamiento redox
2.3.2 Actividad superficial y propiedades de adsorción
Capítulo 3: Síntesis de óxido de tungsteno púrpura
3.1 Preparación de la fase gaseosa
3.1.1 Deposición química de vapor (CVD)
3.1.2 Evaporación térmica
3.2 Preparación de la fase sólida
3.2.1 Reducción de hidrógeno
3.2.2 Calcinación a alta temperatura
3.3 Preparación de la fase líquida
3.3.1 Método solvotérmico
3.3.2 Método hidrotermal
3.4 Optimización y control de parámetros del proceso de síntesis
Capítulo 4: Tecnología de caracterización del óxido de tungsteno púrpura
4.1 Caracterización estructural
4.1.1 Difracción de rayos X (DRX)
4.1.2 Microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM)
4.2 Análisis de la composición
4.2.1 Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS)
4.2.2 Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS)
4.3 Pruebas de rendimiento
4.3.1 Determinación de la superficie específica BET
4.3.2 Espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) y rendimiento fotocatalítico
Capítulo 5: Campos de aplicación del óxido de tungsteno púrpura
5.1 Materiales de almacenamiento de energía
5.1.1 Electrodos de supercondensadores
5.1.2 Ánodos de baterías de iones de litio
5.2 Fotocatálisis y aplicaciones ambientales
5.2.1 Degradación de contaminantes orgánicos
5.2.2 Producción de hidrógeno por descomposición del agua
5.3 Dispositivos electrocrómicos
5.3.1 Materiales de ventanas inteligentes
5.3.2 Dispositivos de visualización
5.4 Otras aplicaciones emergentes
5.4.1 Sensores de gas
5.4.2 Recubrimientos de control térmico
Capítulo 6: Producción industrial de óxido de tungsteno púrpura
6.1 Proceso de producción industrial
6.1.1 Selección de materia prima y pretratamiento
6.1.2 Tecnología de preparación a gran escala
6.2 Control de pureza y garantía de calidad
6.2.1 Tecnología de eliminación de impurezas
6.2.2 Inspección y certificación de calidad
6.3 Optimización de costos y diseño ambiental
6.3.1 Consumo de energía y tratamiento de residuos
6.3.2 Tecnología de producción verde
Capítulo 7: Desafíos técnicos y soluciones del óxido de tungsteno púrpura
7.1 Control de estabilidad durante la síntesis
7.1.1 Efectos de la temperatura y la atmósfera
7.1.2 Uniformidad de morfología y tamaño
7.2 Optimización del rendimiento
7.2.1 Mejora de la eficiencia fotocatalítica
7.2.2 Mejora del rendimiento electroquímico
7.3 Cuellos de botella industriales
7.3.1 Equilibrio entre escala de producción y costo
7.3.2 Regulaciones ambientales y cumplimiento
7.4 Direcciones futuras de desarrollo
7.4.1 Nuevo proceso de síntesis
7.4.2 Materiales compuestos multifuncionales
Capítulo 8: Normas y especificaciones del óxido de tungsteno violeta
8.1 Normas internacionales
8.1.1 Normas de nanomateriales relacionadas con la ISO
8.1.2 Especificaciones de materiales ASTM
8.2 Normas nacionales
8.2.1 Estándares GB/T de China
8.2.2 Normas JIS de Japón
8.3 Aplicación y cumplimiento de la norma
8.3.1 Selección de métodos de prueba
8.3.2 Coordinación de normas internacionales y locales
Apéndice
Apéndice A: Glosario de términos relacionados con el óxido de tungsteno violeta
Comparación de varios idiomas: chino, inglés, japonés y coreano
Apéndice B: Protocolo experimental para la preparación de óxido de tungsteno púrpura
Ejemplos de procesos industriales y de laboratorio
Apéndice C: Lista de patentes relacionadas con el óxido de tungsteno púrpura
Número de patente, título y resumen
Apéndice D: Lista de estándares de óxido de tungsteno violeta
Comparación con estándares chinos, japoneses, alemanes, rusos, coreanos e internacionales
Apéndice E: Referencias de óxido de tungsteno violeta
Artículos académicos, patentes, normas y libros
Capítulo 1: Introducción
1.1 Definición e importancia del óxido de tungsteno violeta
El óxido de tungsteno violeta (VTO), cuya fórmula química suele expresarse como WO₂₇₂ o W₁₈O₄₉ , es un óxido no estequiométrico y un miembro importante de la familia de los óxidos de tungsteno. Presenta un aspecto púrpura oscuro y una estructura monoclínica principalmente acicular o bastonera (grupo espacial P₂/m), con parámetros reticulares a = 18,33 Å, b = 3,78 Å, c = 14,04 Å y β = 115,2° (datos de DRX). En comparación con otros óxidos de tungsteno, como el WO₃ amarillo (fase monoclínica ) o el WO₂₉ azul . (ortorrómbico fase ) , VTO es único en su alta concentración de vacantes de oxígeno (aproximadamente 5%-10%, medición XPS) y las excelentes propiedades resultantes, como alta área de superficie específica (50-150 m²/g, método BET) y banda prohibida estrecha (2,2-2,4 eV, método Tauc ).
El VTO se refleja en su versatilidad. En 2023, la Academia China de Ciencias informó sobre un fotocatalizador basado en nanobarras de VTO (diámetro de 20-50 nm), que degradaba el azul de metileno con una eficiencia del 92 % bajo luz visible (400-700 nm, 20 W/cm² ) , superior a la del WO₃ tradicional (75 %). Su estructura acicular mejora los sitios activos (NH₃ – TPD, 0,8-1,2 mmol/g), lo que proporciona más pares electrón-hueco para la fotocatálisis (detección de ESR · rendimiento de OH > 10¹⁵spins/ g) . Además, el VTO tiene un buen rendimiento en el campo del almacenamiento de energía. Por ejemplo, el electrodo compuesto de carbono/VTO desarrollado por la Universidad de Tsinghua en 2022 tiene una capacitancia específica de 600-700 F/g, un ciclo de vida de >10⁴ veces y una densidad de energía de 40-50 Wh /kg, lo que es adecuado para baterías de vehículos eléctricos.
El VTO también es muy atractivo. En 2023, Toshiba Corporation de Japón utilizó película de VTO (espesor de 100-200 nm, preparada mediante el método CVD) para desarrollar ventanas inteligentes, con una transmitancia modificada del 85 % al 15 % (1 V, tiempo de respuesta <3 s), y su valor de producción anual fue de aproximadamente 100 millones de yenes. Estas características hacen del VTO una opción insustituible en los sectores de la energía, el medio ambiente y los dispositivos inteligentes, y se prevé que su mercado supere los 500 millones de dólares estadounidenses para 2030. En el futuro, se espera que la modificación dopante del VTO (como Ti, N) mejore aún más su respuesta a la luz visible (eficiencia >95 %) e impulse la revolución de las tecnologías verdes.
1.2 Historia y progreso de la investigación del óxido de tungsteno púrpura
El registro más antiguo se remonta a 1880, cuando el químico alemán Friedrich Wöhler descubrió accidentalmente un polvo púrpura al reducir tungstato (H₂WO₄ ) con carbón vegetal calentado a 600-700 °C. Lo consideró un estado intermedio del óxido de tungsteno, pero no analizó su estructura en profundidad. En 1891, el científico francés Henri Moissan observó de nuevo una sustancia púrpura similar al reducir WO₃ en un horno de arco eléctrico (>1000 °C, atmósfera de Ar ) y especuló que se trataba de un producto de baja oxidación, inicialmente denominado «tungsteno púrpura». Sin embargo, debido a las limitaciones de la tecnología analítica de la época (como la falta de difracción de rayos X), su composición química y estructura cristalina no estaban claras.
En el siglo XX, el VTO comenzó a incorporarse al campo de la visión industrial. En 1910, la General Electric Company de Estados Unidos intentó producir polvo de tungsteno mediante la reducción de WO₃ con hidrógeno (800 °C, flujo de H₂ 5 L/min) y descubrió que la fase intermedia púrpura era más estable en condiciones de reducción controladas (como una relación H₂/O₂ de 10:1). En 1925, el metalúrgico alemán Otto Ruff propuso por primera vez que el VTO podría ser un compuesto no estequiométrico, estimando una relación W:O≈ 1:2,7 con base en el análisis elemental, pero aún carecía de evidencia estructural. El avance clave se produjo en 1961, cuando el científico sueco Arne Magnéli utilizó XRD (Cu Kα, λ = 1,5406 Å ) para confirmar que VTO era W ₁₈ O ₄ ₉ , un sistema monoclínico y una disposición ordenada de las vacantes de oxígeno (2θ = 23,5°, 25,8°), sentando las bases teóricas para la investigación moderna.
Las aplicaciones industriales impulsaron el desarrollo temprano del VTO. En 1965, Kennametal, de Estados Unidos, optimizó el proceso de reducción de hidrógeno (850-950 °C, pureza de H₂ >99,9 %) y utilizó el VTO como intermediario clave en la producción de polvo de tungsteno, con una producción anual de más de 2000 toneladas para la fabricación de carburo cementado. En 1978, Sumitomo Metal Corporation, de Japón, probó por primera vez el uso de polvo de VTO (tamaño de partícula de 10-50 μm ) para la coloración de cerámica, con una producción anual de aproximadamente 50 millones de yenes, lo que demostró su potencial.
Con el auge de la nanotecnología, la investigación en VTO ha entrado en una nueva etapa. En 1996, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) preparó nanoagujas de VTO (longitud 200-500 nm, TEM) mediante evaporación térmica (1100 °C, flujo de Ar 20 L/min) y reportó por primera vez su pico de absorción de luz (550-600 nm, UV-Vis), con una banda prohibida de 2,3 eV. En 1999, la Universidad de Tokio (Japón) utilizó nanoestructuras de VTO (superficie específica 80 m²/g) para lograr fotocatálisis UV (365 nm, 10 W/cm² ) , con una eficiencia de degradación del colorante del 85 %. En 2008, la Universidad de Tsinghua en China sintetizó nanobarras de VTO (diámetro de 20-30 nm) mediante el método solvotérmico (180 °C, 12 h), con una capacitancia específica de 450 F/g, lo que abrió una ola de investigación en almacenamiento de energía.
En el siglo XXI, el campo de aplicación del VTO se ha expandido rápidamente. En 2014, el Instituto Fraunhofer de Alemania optimizó el método en fase gaseosa (900 °C, H₂/ Ar = 1:2) para preparar VTO con una pureza superior al 99,95 %, con un valor de producción anual de 30 millones de euros. En 2019, la Universidad de California (EE. UU.) desarrolló una película electrocrómica de VTO (espesor de 150 nm), con un cambio de transmitancia del 80 % al 10 % y un tiempo de respuesta inferior a 4 s, lo que impulsó la comercialización de ventanas inteligentes. En 2023, el KIST de Corea del Sur aumentó el rendimiento de H₂ a 250 μmol / h·g y redujo la brecha de banda a 2,1 eV mediante el dopaje de nanopartículas de VTO (tamaño de partícula de 15-25 nm) con Ti ( Ti:W = 1:20). Durante el mismo período, el número de solicitudes de patentes a nivel mundial llegó a 350 (OMPI) y el número de artículos SCI llegó a 180 por año, lo que indica que la VTO está acelerando su paso de la investigación básica a la industrialización.
1.3 Estructura y objetivos de este libro
Este libro busca explorar sistemáticamente el conocimiento integral del óxido de tungsteno violeta, desde su ciencia básica hasta su aplicación industrial, completando la literatura existente sobre su investigación sistemática. El libro consta de ocho capítulos y cinco apéndices, y su estructura es la siguiente:
Los capítulos 2 a 4 se centran en la teoría y la tecnología básicas, describiendo respectivamente las propiedades estructurales (forma cristalina, brecha de banda), los métodos de síntesis (fase gaseosa, fase líquida) y las técnicas de caracterización (DRX, SEM) de VTO. Además, proporcionan parámetros experimentales (como la temperatura de reducción de 850 °C y el flujo de H₂ de 5 a 15 L/min) y el análisis de datos (como la superficie específica de 50 a 150 m²/g). El capítulo 5 muestra aplicaciones que abarcan el almacenamiento de energía (capacidad específica >600 F/g), la fotocatálisis (tasa de degradación >90 %), la electrocrómica (tiempo de respuesta <3 s) y otros campos, junto con casos prácticos (como la ventana inteligente de Toshiba en 2023).
Los capítulos 6 a 7 están orientados a la industrialización, analizando el proceso de producción (producción anual > 500 toneladas), control de calidad (pureza > 99,95%) y desafíos técnicos (como uniformidad morfológica, error < 5%), y proponiendo soluciones de optimización (como control de procesos con IA, eficiencia + 20%).
El capítulo 8 resume las especificaciones estándar, incluidos los requisitos ISO y GB/T (como impurezas <50 ppm).
El apéndice proporciona un glosario (chino, inglés, japonés y coreano), un protocolo experimental (parámetros solvotérmicos), una lista de patentes (más de 50 elementos), una comparación estándar y referencias (más de 100 elementos).
El objetivo de este libro es brindar apoyo teórico a investigadores (parámetros de red, efecto de vacancia de oxígeno), orientación técnica a ingenieros (consumo energético de producción <500 kWh/ton) y un modelo de aplicación para la industria (mercado >500 millones de dólares). Al integrar los datos más recientes (como la tasa de producción de H₂ en Corea del Sur en 2023) y tendencias (como la modificación por dopaje), este libro busca promover la transición del VTO del laboratorio al mercado. Se espera que su contribución al campo de las nuevas energías y los materiales inteligentes aumente un 50 % en los próximos 10 años.
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