hrvatski

Sinteza VO2 dopiranog Zr u cilju razvoja materijala za izradu pametnih prozora

Vanadijev dioksid (VO2) je termokromni materijal u kojem pri 68 °C dolazi do reverzibilne fazne transformacije iz niskotemperaturne, monoklinske, poluvodičke faze koja je propusna za infra-crveno (IC) zračenje u visokotemperaturnu, rutilnu, metalnu fazu koja IC zračenje reflektira. Ova transformacija čini VO2 materijalom prikladnim za izradu pametnih prozora, čija je funkcija pri visokim temperaturama okoliša spriječiti prolaz dijela IC zračenja u objekt, pri čemu nije onemogućen prolaz vidljivog zračenja, odnosno svjetla. Pametni prozor sastoji se od tankog filma termokromnog materijala nanesenog na natrijsko-kalcijsko staklo. Iako VO2 ima brojne prednosti u odnosu na druge anorganske i organske termokromne materijale, ima i ozbiljne nedostatke zbog kojih se u ovu svrhu ne koristi često. Osnovni nedostaci VO2 su visoka temperatura fazne transformacije, Tc, mala propusnost za vidljivo svjetlo (mali omjer propuštenog i upadnog svjetla), Tlum, zbog čega sloj VO2 na staklu mora biti vrlo tanak, ograničena sposobnost modulacije (mala razlika u propusnosti ukupnog sunčeva zračenja metalne i poluvodičke faze), ΔTsol, te neprivlačna žućkasta boja. Stoga se VO2, kako bi se smanjila Tc, povećale Tlum i ΔTsol te korigirala boja, modificira dopiranjem s različitim metalima poput W, Mo, Ti, Zr itd. Dopiranjem se najčešće ne rješavaju svi, već tek neki od navedenih nedostataka. Dopiranje sa Zr smatra se najkorisnijim za unaprjeđenje svih navedenih svojstava budući da razlika u radijusu V3+ i Zr4+ destabilizira monoklinski VO2, što dovodi do sniženja Tc. Dopiranje sa Zr proširuje zabranjenu zonu VO2 što može dovesti do porasta Tlum i ΔTsol, a Zr modificira i boju VO2. Pored toga utvrđeno je da i kompozitni VO2–ZrV2O7 filmovi značajno poboljšavaju propusnost termokromnog materijala za svjetlo, a sloj ZrO2 djeluje antirefleksijski, također poboljšavajući propusnost. Dopirani materijal pripravlja se nizom tehnika poput kemijskog nanošenja iz plinovite faze, magnetronskog rasprašivanja ili sol-gel sinteze. Iako poznata metoda za pripravu VO2, sinteza preko vanadil glikolata, VO(OCH2CH2O), nije do sada korištena za pripravu Zr dopiranog VO2. Stoga je u ovom radu prvo iz amonij metavanadata, NH4VO3, etilenglikola C2H6O2, i cirkonijeva butoksida, Zr(OC4H9)4, pripravljen prekursor iz kojeg se termičkom obradom može dobiti VO2. Pripravljeni su uzorci ciljane stehiometrije V1-xZrxO2, gdje je x=0 ; 0, 02 ; 0, 04 i 0, 06 te je promatran utjecaj Zr na tijek termičke evolucije vanadijevih oksida. Korištene su metode diferencijalne termičke i termo-gravimetrijske analize (DTA/TGA), rendgenske difrakcije (XRD), infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom (FTIR) i pretražne elektronske mikroskopije (SEM). Utvrđeno je da udio Zr značajno utječe na fazni sastav i morfologiju prekursora, u kojem s porastom udjela Zr ima sve više amorfne faze. Nadalje, utvrđeno je da zagrijavanjem prekursora dolazi do kristalizacije različitih vanadijevih okisda poput VO2, V3O7, V2O5 te cirkonijeva vanadata, Zr(V2O7). Zapaženo je da udio Zr utječe na tijek kristalizacije i veličinu kristalita VO2. Također je utvrđen termički režim pri kojem se u uzorcima bez ili s malim udjelom Zr može u potpunosti ili gotovo u potpunosti izbjeći kristalizacija svih faza osim VO2. Međutim, analize ukazuju da opisanim načinom priprave nije došlo do ugradnje Zr u kristalnu rešetku VO2.

vanadil glikolat ; vanadijev dioksid ; cirkonij ; dopiranje ; termokromni materijali

nije evidentirano