鎢氧化物材料在光電應用中的研究獲進展

　　鎢是我國優勢礦產資源，但中國的鎢資源占有與鎢資源利用卻嚴重不匹配。氧化鎢是鎢產業鏈的重要中間產品，但目前僅作為鎢粉的前驅體材料。但實際上，氧化鎢材料具有獨特的孔道和缺陷結構，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域具有廣泛的應用前景。

　　近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員趙志剛（通訊作者）等，在國際期刊《先進材料》（Advanced Materials）上發表了題為Tungsten Oxide Materials for Optoelectronic Applications 的文章。文中從鎢基氧化物材料物相結構及化學計量組成的復雜性出發，對其有別于其他材料的特殊光電性能進行了簡單綜述。另外，文章以趙志剛研究團隊近年的研究成果為主線，描述了鎢基氧化物材料在光電應用中的最新研究進展，介紹了通過結構和組成控制的方法有針對性地進行材料設計，以此作為提升鎢基氧化物在諸多傳統應用領域中性能的策略；并在文章結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。

　　研究團隊的早期工作集中于光催化領域，旨在提高氧化鎢材料中的光生載流子的分離效率。2008年設計的表面負載有Pt的WO3納米管結構（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7051），在氣相乙醛的可見光催化降解反應中有著不俗的表現。2010年獲得的WO3八面體（Chem. Comm. 2010, 46, 3321）以及2013年開發的“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，與光催化在機理上可謂同源。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為藍色，即產生光致變色現象。為解決氧化鎢作為光致變色材料響應慢、可逆性差、僅對紫外光有響應等局限性問題，2009年趙志剛及合作者通過構筑有機-無機雜化體系成功將氧化鎢光致變色的光譜響應區間拓展至近紅外區（>700 nm）（Chem. Commun. 2009, 16, 2204），次年則通過將CdS量子點負載于WO3薄膜的方式極大地提高了氧化鎢材料的光致變色響應速率（Adv. Funct.Mater. 2010, 20, 4162）。

　　在電致變色領域，團隊從主體材料、電解質、器件結構等方向推動智能變色技術的發展，并在理論與應用上取得了一系列進展。材料制備方面，首次獲得氧化鎢量子點材料，并證實其優異的電致變色性能來自于零維粒子高效率的物質與電荷傳輸過程（Adv. Mater. 2014, 26, 4260）。電解質開發方面，指出傳統H+、Li+、Na+離子用于電致變色領域的不足，首次提出以三價Al3+作為插入離子，大幅提升器件的響應速率、生色效率以及循環性能（Adv. Funct.Mater. 2015, 25, 5833）。器件結構設計方面，強調電致變色技術與其他新興技術的整合，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。

　　研究團隊也致力于推動氧化鎢材料應用于更多全新的領域。2015年，團隊用富氧缺陷W18O49海膽狀納米粒子作為表面等離子共振增強（SERS）基底，獲得了高靈敏度和高探測極限的優異SERS性能，檢測極限可低至10-7 M，增強因子可達3.4×105，是現已報道的性能最為優秀的半導體SERS基底材料之一，并已接近無“熱點”效應的貴金屬材料。該工作證實了恰當地調制半導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SERS技術中貴金屬基底的局限性，進一步拓寬半導體氧化物作為基底材料在SERS檢測中的應用范疇（Nat. Commun. 2015, 6, 7800）。