Vanadin(IV)oxid
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
IUPAC namn
Vanadin(IV)oxid
|
|
| Andra namn Vanadindioxid Divanadiumtetroxid |
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChEBI | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard | 100.031.661 |
| EG-nummer |
|
| 873472 | |
|
PubChem CID
|
|
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| VO 2 | |
| Molar massa | 82,94 g/mol |
| Utseende | Blåsvart puder |
| Densitet |
4,571 g/cm 3 (monoklinisk) 4,653 g/cm 3 (tetragonal) |
| Smältpunkt | 1 967 °C (2 240 K) |
| +99,0·10 -6 cm3 / mol | |
| Strukturera | |
|
Förvrängd rutil (<70 °C (343 K), monoklinisk) Rutil (>70 °C (343 K), tetragonal) |
|
| Faror | |
| Arbetssäkerhet och hälsa (OHS/OSH): | |
|
Huvudsakliga faror
|
toxisk |
| GHS- märkning : | |
|
|
| Varning | |
| H315 , H319 | |
| P264 , P280 , P302+P352 , P305+P351+P338 , P332+P313 , P337+P313 , P362 | |
| NFPA 704 (branddiamant) | |
| Flampunkt | Ej brandfarlig |
| Besläktade föreningar | |
|
Andra anjoner
|
Vanadindisulfid Vanadindiselenid Vanadinditellurid |
|
Andra katjoner
|
Niob(IV)oxid Tantal(IV)oxid |
|
Besläktade vanadinoxider _
|
Vanadin(II)oxid Vanadin(III)oxid Vanadin(V)oxid |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Vanadin(IV)oxid eller vanadindioxid är en oorganisk förening med formeln VO 2 . Det är ett mörkblått fast ämne. Vanadin (IV) dioxid är amfoter , löses i icke-oxiderande syror för att ge den blå vanadyljonen , [VO] 2+ och i alkali för att ge den bruna [V 4 O 9 ] 2−- jonen, eller vid högt pH [VO 4 ] 4− . VO 2 har en fasövergång mycket nära rumstemperatur (~68 °C (341 K)). Elektrisk resistivitet, opacitet, etc, kan ändra upp flera ordrar. På grund av dessa egenskaper har den använts i ytbeläggning, sensorer och bildbehandling. Potentiella applikationer inkluderar användning i minnesenheter, fasväxlingsomkopplare, passiv radiativ kylningstillämpningar , såsom smarta fönster och tak, som svalnar eller värmer beroende på temperatur, flygkommunikationssystem och neuromorfisk beräkningar .
Egenskaper
Strukturera
Vid temperaturer under Tc = 340 K (67 °C), har VO
2 en monoklinisk ( rymdgrupp P2 1 /c) kristallstruktur. Ovanför T c är strukturen tetragonal , som rutil TiO
2 . I den monokliniska fasen bildar V 4+ -jonerna par längs c-axeln, vilket leder till alternerande korta och långa VV-avstånd på 2,65 Å och 3,12 Å. Som jämförelse, i rutilfasen separeras V4 + -jonerna med ett fast avstånd på 2,96 Å. Som ett resultat fördubblas antalet V4 + -joner i den kristallografiska enhetscellen från rutilen till den monokliniska fasen.
Jämviktsmorfologin för rutil VO
2 -partiklar är nålformad, i sidled begränsad av (110) ytor, som är de mest stabila termineringsplanen. Ytan tenderar att oxideras med avseende på den stökiometriska sammansättningen, med syret adsorberat på (110) ytan och bildar vanadylspecies. Närvaron av V5 + -joner vid ytan av VO2
- filmer har bekräftats med röntgenfotoelektronspektroskopi .
Minneseffekt
År 2022 rapporterades en hittills unik och okänd egenskap hos materialet – det kan "komma ihåg" tidigare externa stimuli [ förtydligande behövs ] (via strukturella snarare än elektroniska tillstånd), med potential för t.ex. datalagring och bearbetning, potentiellt även i neuromorfa datoranvändning .
Elektronisk
Vid övergångstemperaturen för rutil till monoklinisk (67 °C (340 K)), uppvisar VO
2 också en metall-till- halvledarövergång i sin elektroniska struktur: rutilfasen är metallisk medan den monokliniska fasen är halvledande. Det optiska bandgapet för VO 2 i den monokliniska lågtemperaturfasen är cirka 0,7 eV.
Termisk
Metallisk VO 2 motsäger Wiedemann-Franz lag som säger att förhållandet mellan det elektroniska bidraget från värmeledningsförmågan ( κ ) och den elektriska ledningsförmågan ( σ ) för en metall är proportionell mot temperaturen . Den värmeledningsförmåga som kunde tillskrivas elektronrörelser var 10% av den mängd som förutspåddes av Wiedemann-Franz-lagen. Anledningen till detta verkar vara det flytande sättet som elektronerna rör sig genom materialet, vilket minskar den typiska slumpmässiga elektronrörelsen. Värmeledningsförmåga ~ 0,2 W/m⋅K, elektrisk ledningsförmåga ~ 8,0 ×10^5 S/m.
Potentiella tillämpningar inkluderar omvandling av spillvärme från motorer och apparater till elektricitet, och fönster eller fönsterbeklädnader som håller byggnader svala. Värmeledningsförmågan varierade när VO 2 blandades med andra material. Vid låg temperatur kan den fungera som en isolator, samtidigt som den leder värme vid en högre temperatur.
Syntes och struktur
Enligt metoden som beskrivits av Berzelius , framställs VO
2 genom proportionering av vanadin(III)oxid och vanadin(V)oxid :
-
V
2 O
5 + V
2 O
3 → 4 VO
2
Vid rumstemperatur har VO 2 en förvrängd rutilstruktur med kortare avstånd mellan par av V-atomer, vilket indikerar metall-metallbindning. Över 68 °C (341 K) ändras strukturen till en oförvrängd rutilstruktur och metall-metallbindningarna bryts vilket orsakar en ökning av elektrisk ledningsförmåga och magnetisk känslighet när bindningselektronerna "frigörs". Ursprunget till denna isolator till metallövergång är fortfarande kontroversiellt och är av intresse både för kondenserad materiens fysik och praktiska tillämpningar, såsom elektriska omkopplare, avstämbara elektriska filter, effektbegränsare, nanooscillatorer, memristorer , fälteffekttransistorer och metamaterial .
Infraröd reflektans
VO
2 uttrycker temperaturberoende reflekterande egenskaper. Vid uppvärmning från rumstemperatur till 80 °C (353 K) stiger materialets värmestrålning normalt till 74 °C (347 K), innan det plötsligt verkar sjunka till cirka 20 °C (293 K). Vid rumstemperatur VO
2 nästan transparent för infrarött ljus. När temperaturen stiger ändras den gradvis till reflekterande. Vid mellantemperaturer uppträder den som ett mycket absorberande dielektrikum.
En tunn film av vanadinoxid på ett starkt reflekterande substrat (för specifika infraröda våglängder) såsom safir är antingen absorberande eller reflekterande, beroende på temperatur. Dess emissivitet varierar avsevärt med temperaturen. När vanadinoxiden övergår med ökad temperatur, genomgår strukturen en plötslig minskning av emissiviteten - ser kallare ut för infraröda kameror än vad den egentligen är.
Att variera substratmaterialen (t.ex. till indiumtennoxid), såväl som modifiering av vanadinoxidbeläggningen med användning av dopning, spänning eller andra processer, förändrar våglängderna och temperaturområdena vid vilka de termiska effekterna observeras.
Strukturer i nanoskala som uppträder naturligt i materialens övergångsområde kan undertrycka värmestrålning när temperaturen stiger. Doping av beläggningen med volfram sänker effektens termiska område till rumstemperatur.
Används
Hantering av infraröd strålning
Odopade och volframdopade vanadindioxidfilmer kan fungera som "spektralt selektiva" beläggningar för att blockera infraröd överföring och minska förlusten av byggnadens innervärme genom fönster. Genom att variera mängden volfram kan fasövergångstemperaturen regleras med en hastighet av 20 °C (20 K) per 1 atomprocent volfram. Beläggningen har en lätt gulgrön färg.
Andra potentiella tillämpningar av dess termiska egenskaper inkluderar passivt kamouflage, termiska beacons, kommunikation eller att avsiktligt påskynda eller sakta ner kylning. Dessa applikationer kan vara användbara för en mängd olika strukturer från hem till satelliter.
Vanadindioxid kan fungera som extremt snabba optiska modulatorer , infraröda modulatorer för missilstyrningssystem , kameror, datalagring och andra applikationer. Den termokroma fasövergången mellan den transparenta halvledande och reflekterande ledande fasen, som sker vid 68 °C (341 K), kan ske på så korta tider som 100 femtosekunder.
Passiv strålningskylning
Vanadindioxid är avgörande för att uppnå temperaturbaserade "omkopplingsbara" kyl- och värmeeffekter för passiva kylytor med strålning under dagtid utan extra energitillförsel. Temperaturbaserad växling kan vara väsentlig för att mildra potentiella "överkylnings"-effekter av strålningskylningsanordningar i stadsmiljöer, särskilt de med varma somrar och svala vintrar, vilket gör det möjligt för strålningskylare att även fungera som passiva värmeanordningar vid behov.
Fasförändringsberäkning och minne
Isolator-metallfasövergången i VO 2 kan manipuleras i nanoskala med hjälp av en partisk ledande atomkraftsmikroskopspets, vilket föreslår tillämpningar inom databehandling och informationslagring.
Se även
Bibliografi
- Haynes, William M., red. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92:a upplagan). CRC Tryck på . ISBN 978-1439855119 .