鎢氧化物材料在光電應(yīng)用中的研究獲進(jìn)展

　　鎢是我國(guó)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源，但中國(guó)的鎢資源占有與鎢資源利用卻嚴(yán)重不匹配。氧化鎢是鎢產(chǎn)業(yè)鏈的重要中間產(chǎn)品，但目前僅作為鎢粉的前驅(qū)體材料。但實(shí)際上，氧化鎢材料具有獨(dú)特的孔道和缺陷結(jié)構(gòu)，使其在很多方面都有著許多無(wú)可比擬的性能，在光/電變色、光/電催化和痕量檢測(cè)等多個(gè)光電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員趙志剛（通訊作者）等，在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上發(fā)表了題為T(mén)ungsten Oxide Materials for Optoelectronic Applications 的文章。文中從鎢基氧化物材料物相結(jié)構(gòu)及化學(xué)計(jì)量組成的復(fù)雜性出發(fā)，對(duì)其有別于其他材料的特殊光電性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單綜述。另外，文章以趙志剛研究團(tuán)隊(duì)近年的研究成果為主線，描述了鎢基氧化物材料在光電應(yīng)用中的最新研究進(jìn)展，介紹了通過(guò)結(jié)構(gòu)和組成控制的方法有針對(duì)性地進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，以此作為提升鎢基氧化物在諸多傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中性能的策略；并在文章結(jié)尾展望了氧化鎢這種多功能材料的光明前景以及研究趨勢(shì)。

　　研究團(tuán)隊(duì)的早期工作集中于光催化領(lǐng)域，旨在提高氧化鎢材料中的光生載流子的分離效率。2008年設(shè)計(jì)的表面負(fù)載有Pt的WO3納米管結(jié)構(gòu)（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7051），在氣相乙醛的可見(jiàn)光催化降解反應(yīng)中有著不俗的表現(xiàn)。2010年獲得的WO3八面體（Chem. Comm. 2010, 46, 3321）以及2013年開(kāi)發(fā)的“三合一”水處理材料H2W1.5O5.5·H2O（Chem. Commun. 2013, 49, 5787），則是通過(guò)表面酸化的方式顯著提升氧化鎢材料對(duì)水體重金屬或染料等污染物的處理能力。

　　光致變色是氧化鎢材料的另一重要性質(zhì)，與光催化在機(jī)理上可謂同源。例如在光生載流子被捕獲的情況下，薄膜狀的氧化鎢可由透明變?yōu)樗{(lán)色，即產(chǎn)生光致變色現(xiàn)象。為解決氧化鎢作為光致變色材料響應(yīng)慢、可逆性差、僅對(duì)紫外光有響應(yīng)等局限性問(wèn)題，2009年趙志剛及合作者通過(guò)構(gòu)筑有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化體系成功將氧化鎢光致變色的光譜響應(yīng)區(qū)間拓展至近紅外區(qū)（>700 nm）（Chem. Commun. 2009, 16, 2204），次年則通過(guò)將CdS量子點(diǎn)負(fù)載于WO3薄膜的方式極大地提高了氧化鎢材料的光致變色響應(yīng)速率（Adv. Funct.Mater. 2010, 20, 4162）。

　　在電致變色領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)從主體材料、電解質(zhì)、器件結(jié)構(gòu)等方向推動(dòng)智能變色技術(shù)的發(fā)展，并在理論與應(yīng)用上取得了一系列進(jìn)展。材料制備方面，首次獲得氧化鎢量子點(diǎn)材料，并證實(shí)其優(yōu)異的電致變色性能來(lái)自于零維粒子高效率的物質(zhì)與電荷傳輸過(guò)程（Adv. Mater. 2014, 26, 4260）。電解質(zhì)開(kāi)發(fā)方面，指出傳統(tǒng)H+、Li+、Na+離子用于電致變色領(lǐng)域的不足，首次提出以三價(jià)Al3+作為插入離子，大幅提升器件的響應(yīng)速率、生色效率以及循環(huán)性能（Adv. Funct.Mater. 2015, 25, 5833）。器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，強(qiáng)調(diào)電致變色技術(shù)與其他新興技術(shù)的整合，獲得柔性漸變電致變色薄膜（Chem. Commun. 2012, 48, 8252）、智能超級(jí)電容器（Nano. Lett. 2014, 14, 2150）、快充電致變色電池（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 7161）等新概念、多功能器件。

　　研究團(tuán)隊(duì)也致力于推動(dòng)氧化鎢材料應(yīng)用于更多全新的領(lǐng)域。2015年，團(tuán)隊(duì)用富氧缺陷W18O49海膽狀納米粒子作為表面等離子共振增強(qiáng)（SERS）基底，獲得了高靈敏度和高探測(cè)極限的優(yōu)異SERS性能，檢測(cè)極限可低至10-7 M，增強(qiáng)因子可達(dá)3.4×105，是現(xiàn)已報(bào)道的性能最為優(yōu)秀的半導(dǎo)體SERS基底材料之一，并已接近無(wú)“熱點(diǎn)”效應(yīng)的貴金屬材料。該工作證實(shí)了恰當(dāng)?shù)卣{(diào)制半導(dǎo)體氧化物中的氧缺陷，可作為顯著提升其SERS性能的一種有效手段，突破常規(guī)SERS技術(shù)中貴金屬基底的局限性，進(jìn)一步拓寬半導(dǎo)體氧化物作為基底材料在SERS檢測(cè)中的應(yīng)用范疇（Nat. Commun. 2015, 6, 7800）。