鎢氧化物材料在光電應(yīng)用中的研究獲進(jìn)展

　　鎢是我國優(yōu)勢礦產(chǎn)資源，但中國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可比擬的性能，在光/電變色、光/電催化和痕量檢測等多個光電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　近日，中國科學(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，在國際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上發(fā)表了題為Tungsten 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)，對其有別于其他材料的特殊光電性能進(jìn)行了簡單綜述。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，介紹了通過結(jié)構(gòu)和組成控制的方法有針對性地進(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。

　　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年開發(fā)的“三合一”水處理材料H2W1.5O5.5·H2O（Chem. Commun. 2013, 49, 5787），則是通過表面酸化的方式顯著提升氧化鎢材料對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、僅對紫外光有響應(yīng)等局限性問題，2009年趙志剛及合作者通過構(gòu)筑有機(jī)-無機(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自于零維粒子高效率的物質(zhì)與電荷傳輸過程（Adv. Mater. 2014, 26, 4260）。電解質(zhì)開發(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極限的優(yōu)異SERS性能，檢測極限可低至10-7 M，增強(qiáng)因子可達(dá)3.4×105，是現(xiàn)已報道的性能最為優(yōu)秀的半導(dǎo)體SERS基底材料之一，并已接近無“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檢測中的應(yīng)用范疇（Nat. Commun. 2015, 6, 7800）。