Оглавление
Глава 1: Введение
1.1 Определение и значение фиолетового оксида вольфрама
1.2 История и прогресс исследований фиолетового оксида вольфрама
1.3 Структура и цели этой книги
Глава 2: Структура и свойства фиолетового оксида вольфрама
2.1 Кристаллическая структура и химический состав
2.1.1 Нестехиометрические свойства W₁₈O₄₉
2.1.2 Микроскопические характеристики игольчатой структуры
2.2 Физические свойства
2.2.1 Оптические свойства (ширина запрещенной зоны и поглощение)
2.2.2 Электрические свойства (проводимость и миграция носителей заряда)
2.3 Химические свойства
2.3.1 Окислительно-восстановительное поведение
2.3.2 Поверхностная активность и адсорбционные свойства
Глава 3: Синтез фиолетового оксида вольфрама
3.1 Подготовка газовой фазы
3.1.1 Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)
3.1.2 Термическое испарение
3.2 Подготовка твердой фазы
3.2.1 Восстановление водорода
3.2.2 Высокотемпературная прокалка
3.3 Подготовка жидкой фазы
3.3.1 Сольвотермальный метод
3.3.2 Гидротермальный метод
3.4 Оптимизация и контроль параметров процесса синтеза
Глава 4: Технология характеризации фиолетового оксида вольфрама
4.1 Структурная характеристика
4.1.1 Рентгеновская дифракция (XRD)
4.1.2 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
4.2 Анализ состава
4.2.1 Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС)
4.2.2 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)
4.3 Тестирование производительности
4.3.1 Определение удельной площади поверхности по методу БЭТ
4.3.2 Ультрафиолетово-видимая спектроскопия (УФ-Вид) и фотокаталитические характеристики
Глава 5: Области применения фиолетового оксида вольфрама
5.1 Материалы для хранения энергии
5.1.1 Электроды суперконденсатора
5.1.2 Аноды литий-ионных аккумуляторов
5.2 Фотокатализ и его применение в охране окружающей среды
5.2.1 Разложение органических загрязнителей
5.2.2 Производство водорода путем разложения воды
5.3 Электрохромные устройства
5.3.1 Умные оконные материалы
5.3.2 Устройства отображения
5.4 Другие новые приложения
5.4.1 Газовые датчики
5.4.2 Терморегулирующие покрытия
Глава 6: Промышленное производство фиолетового оксида вольфрама
6.1 Процесс промышленного производства
6.1.1 Выбор и предварительная обработка сырья
6.1.2 Технология крупномасштабной подготовки
6.2 Контроль чистоты и обеспечение качества
6.2.1 Технология удаления примесей
6.2.2 Проверка качества и сертификация
6.3 Оптимизация затрат и экологическое проектирование
6.3.1 Потребление энергии и переработка отходов
6.3.2 Технология зеленого производства
Глава 7: Технические проблемы и решения фиолетового оксида вольфрама
7.1 Контроль стабильности во время синтеза
7.1.1 Влияние температуры и атмосферы
7.1.2 Однородность морфологии и размеров
7.2 Оптимизация производительности
7.2.1 Улучшение фотокаталитической эффективности
7.2.2 Улучшение электрохимических характеристик
7.3 Промышленные узкие места
7.3.1 Баланс между масштабом производства и стоимостью
7.3.2 Экологические нормы и соответствие им
7.4 Направления будущего развития
7.4.1 Новый процесс синтеза
7.4.2 Многофункциональные композиционные материалы
Глава 8: Стандарты и спецификации фиолетового оксида вольфрама
8.1 Международные стандарты
8.1.1 Стандарты наноматериалов, связанные с ISO
8.1.2 Спецификации материалов ASTM
8.2 Национальные стандарты
8.2.1 Китайские стандарты GB/T
8.2.2 Японские стандарты JIS
8.3 Стандартное применение и соответствие
8.3.1 Выбор методов испытаний
8.3.2 Координация международных и местных стандартов
Приложение
Приложение A: Глоссарий терминов, связанных с фиолетовым оксидом вольфрама
Многоязычное сравнение китайского, английского, японского и корейского языков
Приложение B: Экспериментальный протокол получения фиолетового оксида вольфрама
Примеры лабораторных и промышленных процессов
Приложение C: Список патентов, связанных с фиолетовым оксидом вольфрама
Номер патента, название и реферат
Приложение D: Стандартный список фиолетового оксида вольфрама
Сравнение с китайскими, японскими, немецкими, российскими, корейскими и международными стандартами
Приложение E: Ссылки на фиолетовую окись вольфрама
Научные статьи, патенты, стандарты и книги
Глава 1: Введение
1.1 Определение и значение фиолетового оксида вольфрама
Фиолетовый оксид вольфрама (VTO), химическая формула которого обычно обозначается как WO ₂ . ₇₂ или W ₁₈ O ₄ ₉ , является нестехиометрическим оксидом и важным членом семейства оксидов вольфрама. Он имеет темно-фиолетовый вид и в основном игольчатую или стержневую моноклинную структуру (пространственная группа P2/m) с параметрами решетки a = 18,33 Å , b = 3,78 Å , c = 14,04 Å , β = 115,2° (данные рентгеновской дифракции). По сравнению с другими оксидами вольфрама, такими как желтый WO₃ (моноклинная фаза) или синий WO ₂.₉ (орторомбическая фаза) , VTO уникален своей высокой концентрацией кислородных вакансий (около 5%-10%, измерение XPS) и обусловленными этим превосходными свойствами, такими как высокая удельная площадь поверхности (50-150 м²/г, метод БЭТ) и узкая запрещенная зона (2,2-2,4 эВ, метод Тауца ).
VTO отражается в его универсальности. В 2023 году Китайская академия наук сообщила о фотокатализаторе на основе наностержней VTO (диаметр 20-50 нм), который разлагает метиленовый синий с эффективностью 92% под видимым светом (400-700 нм, 20 Вт/см² ) , что лучше, чем традиционный WO₃ (75%). Его игольчатая структура усиливает активные центры (NH₃ – TPD, 0,8-1,2 ммоль/г), обеспечивая больше пар электрон-дырка для фотокатализа (обнаружение ESR · выход OH>10¹⁵спинов/ г) . Кроме того, VTO хорошо работает в области хранения энергии. Например, композитный электрод VTO/углерод, разработанный Университетом Цинхуа в 2022 году, имеет удельную емкость 600–700 Ф/г, срок службы более 10⁴ циклов и плотность энергии 40–50 Вт·ч /кг, что подходит для аккумуляторов электромобилей.
VTO также привлекает внимание. В 2023 году японская корпорация Toshiba использовала пленку VTO (толщиной 100-200 нм, изготовленную методом CVD) для разработки интеллектуальных окон, при этом коэффициент пропускания был изменен с 85% до 15% (1 В, время отклика <3 с), а годовой объем производства составил около 100 миллионов иен. Эти характеристики делают VTO незаменимым в области энергетики, окружающей среды и интеллектуальных устройств, и ожидается, что размер рынка превысит 500 миллионов долларов США к 2030 году. В будущем ожидается, что легирование VTO (например, Ti, N) еще больше улучшит его реакцию на видимый свет (эффективность>95%) и будет способствовать революции в области зеленых технологий.
1.2 История и ход исследований фиолетового оксида вольфрама
Самая ранняя запись относится к 1880 году, когда немецкий химик Фридрих Вёлер случайно обнаружил фиолетовый порошок при восстановлении вольфрамата (H₂WO ₄ ) с использованием древесного угля, нагретого до 600-700 °C. Он считал его промежуточным состоянием оксида вольфрама, но не анализировал его структуру далее. В 1891 году французский ученый Анри Муассан снова наблюдал похожее фиолетовое вещество при восстановлении WO₃ в электродуговой печи (>1000 °C, атмосфера Ar ) и предположил, что это продукт с низкой степенью окисления, который изначально был назван «фиолетовым вольфрамом». Однако из-за ограничений аналитической технологии того времени (таких как отсутствие рентгеновской дифракции) его химический состав и кристаллическая структура не были ясны.
В 20 веке VTO начал входить в промышленное поле зрения. В 1910 году компания General Electric Company в Соединенных Штатах попыталась получить порошок вольфрама путем восстановления водородом WO ₃ (800 °C, поток H ₂ 5 л/мин) и обнаружила, что фиолетовая промежуточная фаза была более стабильной в контролируемых условиях восстановления (таких как соотношение H ₂ /O ₂ 10:1). В 1925 году немецкий металлург Отто Рафф впервые предположил, что VTO может быть нестехиометрическим соединением, оценив W:O ≈ 1:2,7 на основе элементного анализа, но все еще не имея структурных доказательств. Ключевой прорыв произошел в 1961 году, когда шведский ученый Арне Магнели с помощью рентгеновской дифракции (Cu Kα, λ = 1,5406 Å) подтвердил, что VTO представляет собой W ₁₈ O ₄ ₉ , моноклинную систему и упорядоченное расположение кислородных вакансий (2θ = 23,5°, 25,8°), заложив теоретическую основу для современных исследований.
Промышленное применение способствовало раннему развитию VTO. В 1965 году компания Kennametal из США оптимизировала процесс восстановления водородом (850-950°C, чистота H₂ >99,9%) и использовала VTO в качестве ключевого промежуточного продукта в производстве вольфрамового порошка с годовым объемом производства более 2000 тонн для производства цементированного карбида. В 1978 году компания Sumitomo Metal Corporation из Японии впервые попыталась использовать порошок VTO (размер частиц 10-50 мкм ) для окрашивания керамики с годовым объемом производства около 50 миллионов иен, что показало его потенциальную ценность для применения.
С развитием нанотехнологий исследования VTO вышли на новый этап. В 1996 году Массачусетский технологический институт (MIT) подготовил наноиглы VTO (длина 200-500 нм, TEM) путем термического испарения (1100°C, поток Ar 20 л/мин) и впервые сообщил о пике поглощения света (550-600 нм, UV-Vis) с шириной запрещенной зоны 2,3 эВ. В 1999 году Токийский университет в Японии использовал наноструктуры VTO (удельная площадь поверхности 80 м²/г) для достижения УФ-фотокатализа (365 нм, 10 Вт/см² ) с эффективностью деградации красителя 85%. В 2008 году в Университете Цинхуа в Китае сольвотермальным методом (180°C, 12 ч) были синтезированы наностержни VTO (диаметром 20–30 нм) с удельной емкостью 450 Ф/г, что положило начало волне исследований в области хранения энергии.
В XXI веке область применения VTO быстро расширилась. В 2014 году Институт Фраунгофера в Германии оптимизировал газофазный метод (900 °C, H₂ / Ar = 1:2) для получения VTO с чистотой >99,95% с годовым объемом производства 30 миллионов евро. В 2019 году Калифорнийский университет, США, разработал электрохромную пленку VTO (толщина 150 нм) с изменением пропускания 80% -10% и временем отклика <4 с, способствуя коммерциализации умных окон. В 2023 году KIST в Южной Корее увеличил выход H₂ до 250 мкмоль / ч·г и уменьшил ширину запрещенной зоны до 2,1 эВ путем легирования наночастиц VTO (размер частиц 15-25 нм) Ti ( Ti:W = 1:20). За тот же период число заявок на патенты в мире достигло 350 (ВОИС), а число статей SCI достигло 180 в год, что свидетельствует об ускорении перехода VTO от фундаментальных исследований к индустриализации.
1.3 Структура и цели этой книги
Цель этой книги — систематически исследовать всеобъемлющие знания о фиолетовом оксиде вольфрама от фундаментальной науки до промышленного применения, заполняя пробел в существующей литературе по его систематическому исследованию. Книга состоит из восьми глав и пяти приложений, а ее структура выглядит следующим образом:
Главы 2–4 посвящены базовой теории и технологии, соответственно описывая структурные свойства (кристаллическая форма, ширина запрещенной зоны), методы синтеза (газовая фаза, жидкая фаза) и методы характеризации (XRD, SEM) VTO, предоставляя экспериментальные параметры (такие как температура восстановления 850 °C, поток H₂ 5–15 л/мин) и анализ данных (такие как удельная площадь поверхности 50–150 м²/г). Глава 5 показывает приложения, охватывающие хранение энергии (удельная емкость> 600 Ф/г), фотокатализ (скорость деградации > 90%), электрохромию (время отклика < 3 с) и другие области, в сочетании с кейсами (такими как интеллектуальное окно Toshiba в 2023 году).
Главы 6–7 ориентированы на индустриализацию, анализ производственного процесса (годовой объем производства > 500 тонн), контроль качества (чистота > 99,95%) и технические проблемы (такие как однородность морфологии, погрешность < 5%), а также предложение решений по оптимизации (таких как управление процессом с помощью ИИ, эффективность + 20%).
В главе 8 обобщены стандартные спецификации, включая требования ISO и GB/T (например, содержание примесей <50 ppm).
В приложении содержится глоссарий (на китайском, английском, японском и корейском языках), экспериментальный протокол (сольвотермальные параметры), список патентов (>50 наименований), сравнение стандартов и ссылки (>100 наименований).
Цель этой книги — предоставить теоретическую поддержку исследователям (параметры решетки, эффект кислородной вакансии), техническое руководство для инженеров (потребление энергии на производство <500 кВтч/тонну) и прикладной план для отрасли (рынок > 500 миллионов долларов). Интегрируя последние данные (такие как скорость производства H₂ в Южной Корее в 2023 году) и тенденции (такие как модификация легирования), эта книга стремится содействовать переходу VTO из лаборатории на рынок. Ожидается, что его вклад в область новой энергии и интеллектуальных материалов увеличится на 50% в течение следующих 10 лет.
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
