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二氧化钒
二氧化钒是一种无机化合物，化学式为VO2，是深蓝色的固体。二氧化钒是两性氧化物，溶于非氧化性酸，形成蓝色的钒酰离子VO2+，溶于碱形成棕色的[V4O9]2−，在高pH下形成[VO4]4−。[1]VO2的相变温度较低，约66 °C，电阻率、不透明度会在相变时发生改变。基于这些特性，VO2已广泛用于表面图层[2]、传感器[3]和成像[4]等方面，以及在存储设备中也有着潜在应用。[5]
| 二氧化钒 | |
|---|---|
| IUPAC名 Vanadium(IV) oxide | |
| 别名 | 氧化钒(IV) |
| 识别 | |
| CAS号 | 12036-21-4 |
| PubChem | 82849 |
| SMILES |
|
| 性质 | |
| 化学式 | VO2 |
| 摩尔质量 | 82.94 g/mol g·mol⁻¹ |
| 外观 | 深蓝色粉末 |
| 密度 | 4.571 g/cm3（单斜） 4.653 g/cm3（四方） |
| 熔点 | 1,967 °C |
| 磁化率 | +270.0·10−6 cm3/mol |
| 结构 | |
| 晶体结构 | 扭曲的金红石结构（<70 °C, 单斜） 金红石结构（>70 °C，四方） |
| 危险性 | |
| 警示术语 | R：36/37/38 |
| 安全术语 | S：26-36/37/39 |
| NFPA 704 | 0 2 0 |
| 闪点 | 不可燃 |
| 相关物质 | |
| 其他阴离子 | 二硫化钒 二硒化钒 二碲化钒 |
| 其他阳离子 | 二氧化铌 二氧化钽 |
| 相关化学品 | 硫酸氧钒 |
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |
制备
二氧化钒的传统制备方法是利用三氧化二钒和五氧化二钒的归中反应：[6]
- V2O5 + V2O3 → 4 VO2
K3VO4和KBH4在溶液中发生还原反应，可以得到VO2悬浊液，洗涤、干燥可得VO2粉末，将粉末在真空中进行热处理，得到VO2的纳米颗粒。[7]
五氧化二钒和碳按化学计量比反应，可以制得二氧化钒。该反应分为两个阶段，第一阶段发生在674°C左右，反应生成V6O13，第二阶段发生在710°C左右，得到VO2。总反应式如下：[8]
- 2 V2O5 + C → 4 VO2 + CO2↑
此外，还原五氧化二钒至二氧化钒的还原剂还有一氧化碳、氢气、二氧化硫和草酸。[9]
向含有VO2+（如VOSO4）的溶液中加入适量碱可以沉淀出水合物VO2·xH2O。[10]
性质
VO2是两性氧化物，可溶于非氧化性酸或碱。溶解在酸中得到蓝色的VO2+离子，但在空气中变绿。[9]VO2在空气中加热，或者和硝酸反应，会得到V2O5。[10]
参考文献
- ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements. Oxford: Pergamon. 1984: 1144–45. ISBN 0-08-022057-6.
- ^ Li, Yamei; Ji, Shidong; Gao, Yanfeng; Luo, Hongjie; Kanehira, Minoru. Core-shell VO2@TiO2 nanorods that combine thermochromic and photocatalytic properties for application as energy-saving smart coatings. Scientific Reports. 2013-04-02, 3 [2017-07-07]. PMC 3613806 . PMID 23546301. doi:10.1038/srep01370. （原始内容于2020-05-09） （英语）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Hu, Bin; Ding, Yong; Chen, Wen; Kulkarni, Dhaval; Shen, Yue; Tsukruk, Vladimir V.; Wang, Zhong Lin. External-Strain Induced Insulating Phase Transition in VO2 Nanobeam and Its Application as Flexible Strain Sensor. Advanced Materials. 2010-12-01, 22 (45): 5134–5139 [2017-07-07]. ISSN 1521-4095. doi:10.1002/adma.201002868. （原始内容于2016-11-25） （英语）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Gurvitch, M.; Luryi, S.; Polyakov, A.; Shabalov, A. Nonhysteretic behavior inside the hysteresis loop of VO2 and its possible application in infrared imaging. Journal of Applied Physics. 2009-11-15, 106 (10): 104504 [2017-07-07]. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.3243286. （原始内容于2016-04-30）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Xie, Rongguo; Bui, Cong Tinh; Varghese, Binni; Zhang, Qingxin; Sow, Chorng Haur; Li, Baowen; Thong, John T. L. An Electrically Tuned Solid-State Thermal Memory Based on Metal–Insulator Transition of Single-Crystalline VO2 Nanobeams. Advanced Functional Materials. 2011-05-10, 21 (9): 1602–1607 [2017-07-07]. ISSN 1616-3028. doi:10.1002/adfm.201002436. （原始内容于2012-08-23） （英语）. （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed. Edited by G. Brauer, Academic Press, 1963, NY. Vol. 1. p. 1267.
- ^ 尹大川, 王猛, 黄卫东. 纳米结构二氧化钒(VO2)的制备技术. 西北工业大学学报, 1999(3):493-495
- ^ 徐灿阳, 庞明杰, 原晨光 等. 还原五氧化二钒制备二氧化钒粉末. 材料科学与工程学报, 2006, 24(2):252-254.
- ^ 9.0 9.1 申泮文 等. 无机化学丛书 第八卷 钛分族 钒分族 铬分族. 科学出版社, 1998. pp 231
- ^ 10.0 10.1 J. Newton Friend. A Text-Book of Inorganic Chemistry. Vol VI Pt III. London: Charles Griffin & Company, Ltd, 1929. pp 50-51
拓展阅读
- 何山, 韦柳娅, 傅群 等. 二氧化钒和三氧化二钒研究进展. 无机化学学报, 2003, 19(2):113-118.
- 刘向, 崔敬忠, 梁耀廷 等. 掺钨二氧化钒薄膜的制备与分析. 真空与低温, 2004, 10(2):85-88.