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中科院上硅所曹逊研究员团队 CEJ:揭示水在二氧化钒(M相)劣化中的作用机理

时间:2022-06-19 来源: 浏览:

中科院上硅所曹逊研究员团队 CEJ:揭示水在二氧化钒(M相)劣化中的作用机理

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建筑物占全球能源消耗的近 40% ,占全球温室气体排放的三分之一,这与全球碳中和的目标相悖。近年来在提高居住条件舒适度的同时实现建筑的节能已成为研究人员的重要目标。热变色材料因为其结构简单、零能耗和自适应光调制被认为是可靠的解决方案。当应用于建筑中时,热响应涂层可以为建筑物的节能提供巨大的机会。二氧化钒( VO 2 ),作为一种典型的相变材料,在临界转变温度( T c   ~   68 ℃)有明显的金属 - 绝缘体转变( MIT )行为,它被认为是最有希望的热变色涂层材料的候选者之一。 然而, VO 2 的弱点是容易被空气中的水和氧气 反应发生劣化 ,这限制了其商业化。到目前为止,还不清楚水 VO 2 劣化中具体产生怎样的 影响,阻碍了对这一难题的解决。
近日,中科院上海硅酸盐研究所曹逊研究员团队在 Chemical Engineering Journal 上发表了题目为“ Deterioration mechanism of vanadium dioxide smart coatings during natural aging: Uncovering the role of water ”的论文。 在这项工作中,基于密度函数理论( DFT )计算并结合实验验证分析,提出了 VO 2 在自然老化过程中的劣化机制,并详细讨论了水在劣化过程中的作用。提出 水通过影响氧气在 VO 2 表面的吸附行为、破坏其致密结构、 并以结合水的形式参与反应,从而影响了劣化反应。这项工作填补了 VO 2 劣化机制的研究空缺 ,有助于设计高性能结构的 VO 2 基智能材料,为彻底解决 VO 2 的耐候性问题提供理论指导和技术支撑。

本文要点
1 . 通过 DFT 计算,从吸附理论分析了水对氧化的影响。随着水的参与,氧气在 VO 2 表面的吸附能大幅增加,水通过氢键增强了氧气在 VO 2 表面的吸附。
 

2 .   在自然老化过程中,水分子以结合水的形式参与了 VO 2 的劣化反应形成了稳定的 V 10 O 24 ‧12H 2 O 结构。并对最终相进行了详细的结构分析。

3.  展示了水对 VO 2 致密结构的破坏,在室温下驱动劣化的过程。水在二氧化钒样品本身的致密结构方面起着关键作用。这种作用有利于氧气进入内部,并发生进一步的破坏,导致具有优良性能样品逐渐被氧化。
 

4 . P VD (磁控溅射)技术制备的薄膜样品进行了进一步的讨论。
 

这项工作系统地介绍了在 VO 2 自然老化过程水在其中的作用,并解释了其机制为未来的研究奠定基础。

原文链接

Li, Z.; Zhao, S.; Shao, Z.; Jia, H.; Huang, A.; Jin, P.; Cao, X., Deterioration mechanism of vanadium dioxide smart coatings during natural aging: Uncovering the role of water. Chem. Eng. J. 2022, 137556.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137556

作者简介

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中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员团队( http://english.sic.cas.cn/groups/smem/ )长期从事包括光热调控材料与元器件,新型节能材料及智能涂层的研究。 获中科院首届“率先杯“未来技术创新大赛决赛优胜奖,在光热调控材料及器件领域发表 SCI 论文 100 余篇,包括 Nat. Electron., Matter, Adv. Energy Mater., Nano Energy, Acc Mater. Res., NPG Asia Mater., Laser Photonics & Rev., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A 等国际著名期刊。 团队累计申请专利 130 余项,已获授权 83 项; 团队目前已培养博士 / 硕士研究生 20 多名,研究生在读期间获得各类奖项若干,包括中科院院长奖学金 2 人次、中科院 BHPB 1 人次、严东生奖学金 6 人次、国家奖学金 8 人次、中科院大学优秀毕业生 3 人次,上海市优秀毕业生 6 人次。

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