WO3納米線

三氧化鎢納米線在變色器件、太陽能器件智能窗、傳感器、光電化學(xué)器件等方面用途廣泛。此外，三氧化鎢納米線在光催化材料、光敏材料、電致變色材料、光致變色材料以及熱致變色材料等領(lǐng)域也較好的應(yīng)用。

WO3納米線制備方法

制備WO3納米線的主要方法有水熱法、溶膠－ 凝膠法、微乳液法、沉淀法等。

WO3納米線制備工藝

以Na2WO4·2H2O 和HCl為原料，K2C2O4和K2SO4分別作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，通過水熱法在150 ℃下反應(yīng)12h，制備出三氧化鎢納米線，此納米線為六方相三氧化鎢納米線。

三氧化鎢是一種廉價(jià)和穩(wěn)定的過渡金屬氧化物，禁帶寬度較低( 約2.6 － 2.7eV) ，具有較高的太陽光吸收效率，其光催化降解水中污染物活性較高，尤其對重氮染料降解顯示出顯著的催化能力，是繼二氧化鈦之后頗具潛力的n型半導(dǎo)體光催化劑。

三氧化鎢具有多種物相結(jié)構(gòu)，如單斜、正交、立方、六方等結(jié)構(gòu)，均表現(xiàn)出優(yōu)異和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。WO3納米線為六方結(jié)構(gòu)。

K 對三氧化鎢納米線的生長有重要的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米線具有較高的比表面積，有利于提高WO3納米線的光催化活性。

K2C2O4作為添加劑水熱合成的WO3納米線的光催化活性高于以K2SO4為添加劑時(shí)所得的三氧化鎢納米線，這與三氧化鎢納米線的比表面積有關(guān)。

三氧化鎢納米線是一種獨(dú)特的N型半導(dǎo)體材料，也是少數(shù)幾種易于實(shí)現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)的氧化物半導(dǎo)體之一，在光催化、電致變色、光致變色、氣致變色等方面表現(xiàn)出良好的特性，廣泛應(yīng)用于化學(xué)傳感器、燃料電池、光電器件等領(lǐng)域。在負(fù)極材料和可充電鋰離子電池中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

根據(jù)組成材料的不同，納米線可分為不同的類型，包括金屬納米線（如：Ni，Pt，Au等），半導(dǎo)體納米線（如：InP，Si，GaN 等）和絕緣體納米線（如：SiO₂，TiO₂等）。分子納米線由重復(fù)的分子元組成，可以是有機(jī)的（如：DNA）或者是無機(jī)的（如：Mo6S9-xIx）。

在電子，光電子和納電子機(jī)械器械中，納米線有可能起到很重要的作用。它同時(shí)還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發(fā)射器和生物分子納米感應(yīng)器。

納米線制造電子設(shè)備

截至2014年，納米線仍然處于試驗(yàn)階段。不過，一些早期的實(shí)驗(yàn)顯示它們可以被用于下一代的計(jì)算設(shè)備。為了制造有效電子元素，第一個(gè)重要的步驟是用化學(xué)的方法對納米線摻雜。這已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)在納米線上來制作P型和N型半導(dǎo)體。下一步是找出制作PN結(jié)這種最簡單的電子器械的方法。這可用兩種方法來實(shí)現(xiàn)。第一種是物理方法：把一條P型線放到一條N型線之上。第二種方法是化學(xué)的：沿一條線摻不同的雜質(zhì)。再下一步是建邏輯門。依靠簡單的把幾個(gè)PN節(jié)連到一起，研究者創(chuàng)造出了所有基礎(chǔ)邏輯電路：與、或、非門都已經(jīng)可以由納米線交叉來實(shí)現(xiàn)。納米線交叉可能對數(shù)字計(jì)算的將來很重要。

納米線太陽能轉(zhuǎn)換

納米線能夠?qū)⑻柟庾匀痪奂骄w中一個(gè)非常小的區(qū)域，聚光能力是普通光照強(qiáng)度的15倍。由于納米線晶體的直徑小于入射太陽光的波長，可以引起納米線晶體內(nèi)部以及周圍光強(qiáng)的共振。該研究的參與者、剛剛獲得尼爾斯·波爾研究所博士學(xué)位的彼得·克洛格斯特拉普解釋說，通過共振散發(fā)出的光子更加集中（太陽能的轉(zhuǎn)換正是在散發(fā)光子的過程中實(shí)現(xiàn)的），這有助于提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，從而使得基于納米線的太陽能電池技術(shù)得到真正的提升。

典型的太陽能轉(zhuǎn)換效率極限，也就是所謂的肖克利·奎伊瑟效率極限（Shockley-Queisser Limit），一直是太陽能電池效率的瓶頸，納米線可能使這一轉(zhuǎn)換效率極限提高幾個(gè)百分點(diǎn)，對太陽能電池的發(fā)展、基于納米線的太陽能的利用以及全球的能源開發(fā)等產(chǎn)生重大影響。

納米線促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)

研究人員把肉眼不可見的納米線構(gòu)建成納米“樹”，研究人員將納米“樹”電極浸沒在水中，然后利用模擬的太陽光進(jìn)行照射，并測量電量的輸出。結(jié)果表明，這種垂直分支結(jié)構(gòu)不僅能夠捕獲大量太陽能，同時(shí)也能最大限度地提高氫氣產(chǎn)量。因?yàn)樵谄矫娼Y(jié)構(gòu)，氣泡必須很大才能浮出水面，而垂直結(jié)構(gòu)可以很快地提取非常小的氫氣泡。研究人員表示，這種垂直分支結(jié)構(gòu)可以為化學(xué)反應(yīng)提供比平面結(jié)構(gòu)高40萬倍的表面積。 研究人員還有更為遠(yuǎn)大的目標(biāo)，他們的眼睛盯在了人工光合作用。在自然界的光合作用中，植物不僅吸收陽光，還吸收二氧化碳和水，產(chǎn)生碳水化合物供其自身生長。研究人員希望有一天能夠模仿這一過程，利用納米“森林”來吸收大氣中的二氧化碳。

納米線合成纖維

2013年1月，英國科學(xué)家研制出一種玻璃（二氧化硅）納米纖維，比頭發(fā)細(xì)千倍卻比鋼堅(jiān)硬15倍，堪稱世界上最高強(qiáng)度、最輕的“納米線”。從歷史上看，碳納米管是最強(qiáng)的物質(zhì)，但其高強(qiáng)度只能在僅幾微米長的樣品中測量到，實(shí)用價(jià)值不大。

相比之下，二氧化硅納米線比高強(qiáng)度鋼硬15倍，比傳統(tǒng)的強(qiáng)化玻璃鋼強(qiáng)10倍。人們可以減少材料使用量，從而減輕物體的重量。生產(chǎn)納米線的硅和氧在地殼層是最常見的可持續(xù)和廉價(jià)利用的元素。此外，可以生產(chǎn)噸級二氧化硅納米纖維，用于光學(xué)纖維電力網(wǎng)絡(luò)。特別具有挑戰(zhàn)性的是如何處理如此之小的纖維，它們比人的頭發(fā)細(xì)近千倍。事實(shí)上，當(dāng)它們變得非常非常小時(shí)，其行為便出現(xiàn)完全不同的方式，不再像玻璃那樣易碎和破裂，而是如塑料般柔軟，這意味著它們具有可以被抻拉的韌性。該研究結(jié)果可用來改造航空、航海和安全等行業(yè)。

納米線微電池制造

科學(xué)家在微電池制造方面邁出了重要的一步，他們研發(fā)出一種微電池，這種電池里有著垂直排列的鎳—錫納米線，這些納米線外面均勻地包裹著一種叫做PMMA的多聚體材料，也就是人們俗稱的有機(jī)玻璃。PMMA的主要作用是絕緣，當(dāng)電流通過時(shí)，它能保護(hù)里面的納米線不受反電極的影響。這種電池比普通的鋰電池充電時(shí)間更短，其他性能也更為出色。 2100433B

納米線力學(xué)性質(zhì)

通常情況下，隨著尺寸的減小，納米線會(huì)體現(xiàn)出比大塊材料更好的機(jī)械性能。強(qiáng)度變強(qiáng)，韌度變好。

納米線導(dǎo)電性質(zhì)

伴隨著機(jī)械性能的顯著變化，納米線的電學(xué)性能也相對于體材料有著明顯的變化。納米線的導(dǎo)電性預(yù)期將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體材料。其原因是當(dāng)納米線的橫截面尺寸小于體材料的平均自由程的時(shí)候，載流子在邊界上的散射效應(yīng)將會(huì)突顯出來。電阻率將會(huì)收到邊界效應(yīng)的嚴(yán)重影響。納米線的表面原子并不像在體材料中的原子一樣能夠被充分的鍵合，這些沒有被充分鍵合的表面原子則常常成為納米線中缺陷的來源，從而使得電子不能順利地通過，使得納米線的導(dǎo)電能力低于體材料。

納米線的導(dǎo)電性預(yù)期將大大小于大塊材料。這主要是由以下原因引起的。第一，當(dāng)線寬小于大塊材料自由電子平均自由程的時(shí)候，載流子在邊界上的散射現(xiàn)象將會(huì)顯現(xiàn)。例如，銅的平均自由程為40nm。對于寬度小于40nm的銅納米線來說，平均自由程將縮短為線寬。

同時(shí)，因?yàn)槌叨鹊脑?，納米線還會(huì)體現(xiàn)其他特殊性質(zhì)。在碳納米管中，電子的運(yùn)動(dòng)遵循彈道輸運(yùn)（意味著電子可以自由的從一個(gè)電極穿行到另一個(gè)）的原則。而在納米線中，電阻率受到邊界效應(yīng)的嚴(yán)重影響。這些邊界效應(yīng)來自于納米線表面的原子，這些原子并沒有像那些在大塊材料中的那些原子一樣被充分鍵合。這些沒有被鍵合的原子通常是納米線中缺陷的來源，使納米線的導(dǎo)電能力低于整體材料。隨著納米線尺寸的減小，表面原子的數(shù)目相對整體原子的數(shù)目增多，因而邊界效應(yīng)更加明顯。

更進(jìn)一步，電導(dǎo)率會(huì)經(jīng)歷能量的量子化：例如，通過納米線的電子能量只會(huì)具有有離散值乘以朗道常數(shù)G =

因?yàn)榈碗娮訚舛群偷偷刃з|(zhì)量，這種電導(dǎo)率的量子化在半導(dǎo)體中比在金屬中更加明顯。量子化的電導(dǎo)率可以在25nm的硅鰭中觀測到（Tilke et. al.， 2003），導(dǎo)致閥電壓的升高。

量子束縛原理：電子在納米線中，橫向受到量子束縛，能級不連續(xù)。這種量子束縛的特性在一些納米線中表現(xiàn)為非連續(xù)的電阻值。這一種分立值是由納米尺度下量子效應(yīng)對通過納米線電子數(shù)的限制引起的。這些孤立值通常被稱為電阻量子化。作為納米技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，納米線具備很多在大塊或三維物體中沒有發(fā)現(xiàn)的性質(zhì)。