一種五氧化二釩薄膜的製備方法－超聲噴霧法的製作方法

2023-04-29 06:18:31

專利名稱：一種五氧化二釩薄膜的製備方法－超聲噴霧法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種五氧化二釩薄膜的製備方法，尤其是涉及一種採用超聲噴霧法製備五氧化二釩薄膜的方法。
背景技術：
五氧化二釩薄膜廣泛應用於電變色器件、防偽材料、光學開關和高容量鋰電池陰極材料等領域。目前五氧化二釩薄膜的製備方法主要有磁控濺射、熱蒸發、真空沉積、脈衝雷射沉積和溶膠-凝膠法等。前幾種製備方法需要高真空，大型設備，生產成本較高。後一種方法工藝較複雜，且容易在薄膜中引入其他化學物質。

發明內容
本發明的目的在於提供一種原料來源豐富，價格低廉，設備及工藝操作簡單，工藝參數容易控制，且成膜質量高，襯底可選範圍廣的五氧化二釩薄膜製備方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的，其包括以下步驟(1)襯底處理依次用丙酮、甲醇、去離子水超聲清洗，烘乾，備用；(2)偏釩酸銨溶液配製取偏釩酸銨粉末溶解在氨水溶液中(氨水濃度為1wt％～25wt％)，配製偏釩酸銨的氨水溶液(可以為飽和溶液，也可以為非飽和溶液)，靜置，過濾；(3)超聲霧化噴鍍沉積以超聲霧化器，將偏釩酸銨溶液霧化成微米級霧狀顆粒，由載氣(可為空氣或氧氣)將霧粒噴鍍在熱襯底上；所用超聲波頻率在1.3～2.5兆赫茲之間(優選1.6兆赫茲-2.0兆赫茲)；襯底溫度150℃～650℃(優選250℃～550℃)，沉積時間10秒～30分鐘(當偏釩酸銨氨水溶液為飽和溶液時，沉積時間可以較短；當為非飽和溶液時，沉積時間應當長一些)，霧化率1毫升/分鐘～20毫升/分鐘(優選5毫升/分鐘～10毫升/分鐘)，氣體流速0.05米3/小時～2米3/小時(優選0.5米3/小時～1米3/小時)。
偏釩酸銨溶液用超聲波霧化為微米級顆粒，以載氣(空氣或氧氣)攜帶噴鍍在熱襯底上，經熱分解而形成五氧化二釩薄膜。超聲噴霧法是一種物理化學綜合方法，是超聲霧化技術與噴鍍熱解法結合而成的一種方法。利用超聲波的高能分散特性，當壓電陶瓷換能器晶片以一定的頻率振動時，在晶片中心附近的溶液上方激起類似於噴泉的水柱，同時，由於超聲頻率的振動在水柱表面產生空化作用，使得溶液被霧化成大量懸浮微米級微粒。溶液霧化後再由載氣攜帶至熱襯底表面，熱解形成新的化合物。
原料偏釩酸銨(NH4VO3)宜用分析純的，為山色或略帶淡黃色結晶粉末，微溶於冷水、溶於熱水及稀氫氧化銨中，其水溶液很快變黃。在真空中加熱到135℃開始分解，超過210℃時分解形成釩的低價氧化物(V2O4及V2O5)。在空氣中灼燒變成五氧化二釩(V2O5)。偏釩酸銨常用作催化劑和媒染劑等，也可以用以製取五氧化二釩。
襯底可選取玻璃，矽片，二氧化鈦薄膜，二氧化錫薄膜，金屬，陶瓷等。襯底可使用電爐加熱，熱電偶測量溫度，以智能溫控儀控制襯底溫度。
影響五氧化二釩薄膜成膜質量及厚度的主要因素為霧化量大小，載氣流量，襯底溫度，噴嘴離襯底的距離，噴鍍時間。
本發明具有以下突出特點原料來源豐富，價格低廉，襯底可選範圍廣泛；製備工藝操作簡單，工藝參數容易控制；所製備的五氧化二釩薄膜成膜質量高，特別在矽襯底上所製備的薄膜表面呈松子球狀結構，表面層狀皺褶結構豐富，比表面積大，非常適用於催化劑行業及高容量鋰電池電極材料；可製備大面積薄膜，適用於規模化流水線生產。


圖1為實施例1條件下製備的五氧化二釩薄膜的X射線衍射圖譜；圖2、3、4、5分別為實施例1、2、3、4條件下製備的五氧化二釩薄膜的掃描電鏡圖。
具體實施例方式
下面通過實施例，對本發明作進一步說明，但不得解釋為對本發明所要求保護範圍的限制。
實施例1(1)選擇玻璃作襯底，依次用丙酮、甲醇、去離子水超聲清洗，烘乾，備用；(2)取過量的偏釩酸銨粉末，溶於100毫升濃度為25wt％的氨水中，充分攪拌，靜置24小時，過濾，配置成25℃偏釩酸銨的飽和氨水溶液；(3)將襯底加熱至350℃，調節超聲霧化器噴嘴至襯底表面距離為4釐米，霧化率為1毫升/分鐘，超聲波頻率為1.3兆赫茲，氣體流量為0.05米3/小時，沉積時間控制為6分鐘，即製得V2O5薄膜。圖1所示為X射線衍射，表明該方法製備的V2O5薄膜為斜方晶繫結構，圖2所示為其掃描電鏡表面形貌圖。
實施例2選擇鍍SnO2薄膜的玻璃作襯底，清洗方法同實施例1；取過量的偏釩酸銨粉末，溶於100毫升濃度為20wt％的氨水中，充分攪拌，靜置24小時，過濾，配置成25℃偏釩酸銨的飽和氨水溶液；將襯底溫度控制在450℃，調節超聲霧化器噴嘴至襯底表面距離為5釐米，霧化率為4毫升/分鐘，超聲波頻率為1.5兆赫茲，氣體流量為0.2米3/小時，沉積時間控制為10分鐘。該實施例所制V2O5薄膜為斜方晶繫結構，圖3所示為其掃描電鏡表面形貌圖。
實施例3選擇矽片作襯底，清洗方法同實施例1；稱取偏釩酸銨粉末0.5克，溶解在100毫升濃度為10wt％的氨水中，充分攪拌溶解，靜置20小時，過濾；襯底溫度控制在550℃，調節超聲霧化器噴嘴至襯底表面距離為2釐米，霧化率為8毫升/分鐘，超聲波頻率為1.6兆赫茲，氣體流量為0.5米3/小時，沉積時間控制為10秒。本實施例所制V2O5薄膜為斜方晶繫結構，圖4所示為其掃描電鏡表面形貌圖，表面呈松子球狀結構，表面層狀皺褶結構豐富，比表面積大，非常適用於催化劑行業及用作高容量鋰電池電極材料。
實施例4選擇鍍TiO2薄膜的玻璃作襯底，清洗方法同實施例1；稱取偏釩酸銨粉末0.8克，溶解在100毫升濃度為5％的氨水中，充分攪拌溶解，靜置24小時，過濾；襯底溫度控制在600℃，調節超聲霧化器噴嘴至襯底表面距離為8釐米，霧化率為10毫升/分鐘，超聲波頻率為1.8兆赫茲，氣體流量為1.0米3/小時，沉積時間控制為1分鐘。該實施例所制V2O5薄膜斜方晶繫結構，圖5所示為V2O5薄膜的掃描電鏡表面形貌圖。
實施例5選擇鋁片作襯底，清洗方法同實施例1；稱取偏釩酸銨粉末1.0克，溶解在100毫升濃度為2％的氨水中，充分攪拌溶解，靜置24小時，過濾。選擇鍍鋁片作襯底，襯底溫度控制在200℃，調節超聲霧化器噴嘴至襯底表面距離為10釐米，霧化率為12毫升/分鐘，超聲波頻率為2兆赫茲，氣體流量為1.5米3/小時，沉積時間控制為20分鐘。
實施例6選擇陶瓷片作襯底，清洗方法同實施例1；稱取偏釩酸銨粉末2克，溶解在100毫升濃度為1％的氨水中，充分攪拌溶解，靜置24小時，過濾。襯底溫度控制在150℃，調節超聲霧化器噴嘴至襯底表面距離為6釐米，霧化率為20毫升/分鐘，超聲波頻率為2.5兆赫茲，氣體流量為2米3/小時，沉積時間控制為30分鐘。
權利要求
1.一種五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，包括以下步驟(1)襯底處理依次用丙酮、甲醇、去離子水超聲清洗，烘乾，備用；(2)偏釩酸銨溶液配製 取偏釩酸銨粉末溶解在濃度為1wt％～25wt％的氨水溶液中，配製成偏釩酸銨的氨水溶液，靜置，過濾；(3)超聲霧化噴鍍沉積 以超聲霧化器將偏釩酸銨溶液霧化成霧狀顆粒，由載氣將霧粒噴鍍在150℃～650℃的熱襯底上，沉積時間10秒～30分鐘，噴嘴離襯底的距離1釐米～10釐米，霧化率1毫升/分鐘～20毫升/分鐘，氣體流速0.05米3/小時～2米3/小時，超聲霧化所用超聲波頻率為1.3兆赫茲～2.5兆赫茲。
2.根據權利要求1所述五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述熱襯底溫度為250℃～550℃。
3.根據權利要求1或2所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述霧化率5毫升/分鐘～15毫升/分鐘。
4.根據權利要求1或2所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述氣體流速0.5米3/小時～1.0米3/小時。
5.根據權利要求1或2所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述噴嘴離襯底的距離為1釐米～10釐米。
6.根據權利要求1或2所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述偏釩酸銨溶液濃度為飽和濃度和非飽和濃度。
7.根據權利要求1或2所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述載氣為空氣或純氧氣。
8.根據權利要求1或2所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述襯底為玻璃，矽片，二氧化鈦薄膜，二氧化錫薄膜，金屬片，陶瓷片。
9.根據權利要求1或2所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述超聲霧化所用超聲波頻率為1.6兆赫茲～2.0兆赫茲。
10.根據權利要求3所述的五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，其特徵在於，所述超聲霧化所用超聲波頻率為1.6兆赫茲～2.0兆赫茲。
全文摘要
本發明公開了一種五氧化二釩薄膜超聲噴霧製備法，包括以下步驟(1)依次用丙酮、甲醇、去離子水超聲清洗襯底，烘乾，備用；(2)取偏釩酸銨粉末溶解在濃度為1wt％～25wt％的氨水溶液中，配製成偏釩酸銨氨水溶液，靜置，過濾；(3)以超聲霧化器將偏釩酸銨溶液霧化成霧狀顆粒，由載氣將霧粒噴鍍在150℃～650℃的熱襯底上，沉積時間10秒～30分鐘，霧化率1毫升/分鐘～20毫升/分鐘，氣體流速0.05米
文檔編號C23C18/04GK1776013SQ20051003243
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月25日 優先權日2005年11月25日
發明者羊億, 黃嶽文 申請人:湖南師範大學