一文了解氧化钨的特性及其应用

中国粉体网讯  钨属于过渡金属元素，在世界上拥有丰富的储备资源。钨基材料普遍的特点是固有密度高(>7g·cm^-3)，并且具有丰富的框架结构，而且价格低廉、易得到，因此已经被用于电化学、光催化及气体感应等领域。此外，由于钨基材料作为锂离子电池负极材料时，其理论比容量高，对环境污染小，因此钨基材料近年来受到广泛关注。

纳米氧化钨粉（图片来源：上海超威纳米科技有限公司）

氧化钨的结构及性质

WO₃是一种过渡金属氧化物，也是一种重要的n型半导体氧化物。WO₃晶体是由WO₆正八面体构成，其中W原子在八面体中央，O原子位于六个角，根据WO6正八面体的倾斜角度和旋转方向不同，形成了许多不同的晶体结构，如：立方相(ReO3型)、单斜相Ⅰ型(ε-WO₃)、单斜相Ⅱ型(γ-WO₃)、三斜相(δ-WO₃)、正交相(β-WO₃)和四方相(α-WO₃)。其中，γ-WO₃是室温下最稳定的状态。另外，六方氧化钨（h-WO₃）是WO₃的另一个稳定相。它也由WO₆八面体组成，但有六元环和三元环，它们在ab平面上共享赤道氧。WO₃在光催化、气体传感器、超级电容器、电致变色装置中有着很好的应用，在锂离子电池电极材料方面的研究也在日益提升。

不同温度下的氧化钨的稳定晶相

此外，在自然界实际存在的氧化钨，氧缺位现象普遍存在，氧化钨的原子比例无法按照严格化学计量比，有些存在五价和四价，所以一般把氧化钨的分子式写为WO_3-x(x=0～1)。WO₃的还原通常伴随结构的变化，非化学计量比的氧化钨主要包括：W₂₀O₅₈、W₁₈O₄₉和W₂₄O₆₈。

氧化钨的应用

WO₃可以应用在超级电容器、电致变色、锂离子电池、气体传感器、光电催化、光催化等领域。WO₃越来越受到人们的重视，一些新的应用领域也在不断被开发出来。

（1）电致变色的应用

电致变色是对变色层施加外电压时，电解液中的电解液离子插入到其中，此过程为着色过程；当施加反向电压时，镶嵌到变色层的电解液离子脱嵌到电解液中，此过程为脱色过程。WO₃基的电致变色器件主要用于智能窗和电致变色显示屏，具有低能耗，高对比度，高稳定性等优势。

（2）光催化领域的应用

光催化领域主要包括光分解水制氢和有机物的降解。实现利用太阳光分解水产生大量的氢气，主要是寻找到性能优异的催化剂。氧化钨属于小禁带宽度半导体，在可见光小于500nm时表现出优异的光催化性能，其转化效率接近100%。纳米WO₃在水解制氢领域需要和其他材料形成互补的能带或者掺杂降低其能带，从而达到WO₃有效的水解制备氢气。另一方面，降解有机污染物，产生的电子空穴作用于污染物发生化学反应降解为无污染的物质。

（3）气敏性的应用

是指气敏材料WO₃与氧化性气体发生反应改变WO₃材料的阻抗与光学特性。体系的温度是WO₃的气敏特性关键，WO₃的表面电子可以被氧化性气体（O₃、NO₂和CO₂等）捕获，导电性与吸附的分子成反比；然而，还原性气体时，WO₃气敏层的电导率会增加。

（4）锂离子电池的应用

WO₃材料应用于锂离子电池的报道虽然没有传统的过渡金属氧化物，如Co₃O₄和Fe₃O₄等多，但是有关WO₃锂离子电池负极材料的关注度越来越高，而且WO₃也展现了不错的电化学性能。这主要源于WO₃作为负极材料，其理论比容量为693mAhg^-1，比石墨高很多，且成本较低。而且相对于其他过渡金属氧化物来讲，WO₃在锂离子电池中作为负极材料还有许多优点：钨是最高价态，稳定性好，安全性能高；WO₃是一种良性半导体，电导率较大，介电常数高；WO₃密度大(7.16gcm^-3)，体积比容量高。

Yang等人，以有机酸为原料，利用简单的水热成功制备圆柱形和双锥形层状结构h-WO₃体系。其中长度大约3μm，主要由单一的纳米线组成，其中纳米线的直径大约20nm。合成的纳米材料作为锂离子电池的负极材料，其中初始比电容量高达1283.3mAhg^-1，其循环200周后，电容量保持到704.1mAhg^-1。该电极材料具有优异的电化学性质，主要与材料的多级结构有关，可以促进电解液渗透到材料的内部，缩短Li+的扩散距离；相互连接的纳米线具有相当好的机械稳定性。

（5）超级电容器的应用

超级电容器最理想的电极材料是RuO₂，但是钌金属昂贵、有毒等因素限制其广泛的应用，因此需要开发可代替的新型电极材料。目前氧化钨具有物美价廉，氧化价态多，合适的晶体结构、无毒和优异的电化学稳定性等优势。因此在超级电容器方面得到广泛的研究。

参考来源：

1、童晖.多级结构氧化钨基负极材料的制备及储锂性能研究

2、贾金志.氧化钨负极材料的制备及电化学性能的研究

3、方浩.氧化钨基负极材料的可控制备及电化学性能研究

4、杨雪.锂离子电池负极材料钨酸盐、三氧化钨的合成及其电化学性能研究

（中国粉体网编辑整理/文正）

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