氧化变色（精选3篇）
氧化变色 篇1
引言
材料的变色性能是指材料在外界的一些因素的影响下,如光照、压力、电场、温度、气体、溶剂等的变化,发生颜色改变的性能,通常这种变色是可逆的,可以利用一定的外界条件将材料的颜色进行改变和还原。自从Deb[1,2]在20世纪70年代初首次发现WO3薄膜材料具有电致变色性能以来,人们相继在WO3的电致变色、光致变色和气致变色[3]以及薄膜、粉体制备等方面展开了广泛研究,并取得了许多卓有成效的成果。在光信息储存、光调控、光开关、光学器件材料、光信息基因材料[4]、变色的玻璃窗、大面积屏幕、“灵巧窗”、防炫目后镜[5,6]、氢气传感器[7]等领域,WO3有着巨大的应用前景,因而倍受关注。
结合近几年来国内外相关文献,本文将对三氧化钨的电致变色、光致变色和气致变色的变色性能作综述性介绍,并对相关研究进展进行简述。
1 三氧化钨的电致变色性能的研究进展
电致变色(electrochromism)[8]是指特定材料在一定的电场或电压作用下,材料本身颜色或透光率发生可逆变化的现象。WO3是典型的阴极电致变色材料,特别是非晶态WO3薄膜因具有着色效率高、可逆性好、响应时间短、寿命长、成本低、着色和褪色时的光学变化范围较宽等优点,被认为是最具有发展前景的电致变色材料之一[9]。
WO3的电致变色过程一般可用下式表示:
这里的M+=H+、Li+、Na+,0
有关WO3的电致变色性能的主要研究对象是WO3薄膜。袁嘉国[11]等以WCl6为钨源,非离子型gemini表面活性剂TMDD为结构导向模板,基于改进的EISA工艺,制备出WO3的3D介孔薄膜。通过循环伏安法绘制光学透过率调制曲线,由图可得薄膜材料在Li电解质溶液中发生可逆的着色与漂白。相同扫描条件下,介孔薄膜的着色相应比无模板薄膜迅速,且其本身漂白比着色快,作者认为电致变色是基于离子的注入与抽出,而纳米介孔机构缩短了离子扩散的路径,从而提高响应速度。
庞月红[12]等通过真空镀膜的方法制备均匀致密的纳米Ag薄膜,然后在其上通过电化学方法沉积一层WO3,制备出纳米Ag/WO3复合膜。该膜在电解质溶液中施加不同电压时的紫外-可见吸收光谱显示:在电压为0.8V时膜为无色,随着电位逐渐减小,膜从脱杂态转为掺杂态,电位减至-1.0V时其颜色变为深蓝色,电压增至0.8V,颜色可逆变为无色。另外对比WO3膜,复合膜的响应时间更短,光学对比度更大,稳定性更好。作者认为这是由Ag的电催化效应所致。
Bathe[13]等通过脉冲喷雾热解法以钨酸铵为前驱物制得WO3纤维组成的薄膜,并用循环伏安法来测试分析其电致变色性能。结果表明由于样品独特的纤维状微结构使其具有更高的变色率和褪色率,这一点对电致变色器件的应用与发展非常重要。
Benoit[14]等利用控制前驱物WCl6的水解,生成WO3微晶,使其对TiO2纳米管层进行修饰,并对制得的样品进行测试。对样品、纯Ti O2纳米管和经450℃退火后样品在不同电压下的反射光谱进行分析,可以发现样品的着色与褪色时间分别是3.6s和2.8s。这是三组试样中响应时间最短的。这说明修饰在TiO2纳米管上的WO3微晶有着显著的电致变色性能。
此外,有关WO3纳米棒电致变色的研究也有报道。郑华均[15]等采用直流磁控溅射法结合阳极氧化法在铝基纳米点阵上制备WO3纳米棒,利用紫外-可见分光光度计测试材料在周期电压下的电致变色性能。测试表明试样发生深蓝色到无色的变化,很好地遵从了离子和电子的双注入理论。
显然,现阶段有关WO3电致变色性能的研究集中在WO3纳米微结构的探索上。
2 三氧化钨的光致变色性能的研究进展
光致变色(Photochromism)[16]是指化合物A在受到波长为λ1的光照时,可通过特定的化学方应生成结构和光谱性能不同的产物B,而在波长为λ2的光照或热的作用下,B又可逆生成化合物A的现象。这一过程的基本特征为:A、B在一定条件下都能稳定存在,且颜色视差显著不同;A、B之间的变化是可逆的。三氧化钨作为一种过渡金属氧化物,是一种优异的光致变色材料,研究发现其在紫外光照射下会变成蓝色[17]。
1975年,Faughnan[18]提出双电荷注入/抽出模型,目前这个模型被广泛应用于解释光致变色现象上。此模型指出:WO3受紫外线照射后,价带中电子被激发到导带中,在价带中留下空穴,光生电子被W(Ⅵ)俘获,生成W(Ⅴ),同时光生空穴氧化薄膜内部或表面的还原物质,如水等,生成H+,注入薄膜内部,与被还原的氧化物结合生成蓝色的钨青铜HxWO3。蓝色是由于W(Ⅴ)价带中电子向W(Ⅶ)导带跃迁的结果。
近年来有关WO3光致变色性能的研究多以粉体和薄膜为主。徐英明[19]等以钨酸钠为反应原料,利用水热合成法,在较宽的pH值范围(0.5-4.5)内,均制得有较高稳定性、粒径较小的介稳态WO3超微粉体。其中在pH约为0.5的条件下合成的钨青铜样品经350W高压汞灯照射10min后,颜色由淡蓝色变成深蓝色。当样品在95℃加热30min后,深蓝色的粉体会被空气中的氧气氧化,恢复为原色,呈现较好可逆性。经XPS测试证实六方WO3中有少量变价钨(W5+)存在,得到变色是由W5+和W6+相互转化产生。
朱华[20]等以钨酸钠为钨源,盐酸调节pH值,甲醛有机诱导水热合成制得分散性较好的纳米WO3粉体。在3W紫外灯照射下,未加甲醛的WO3粉体色差值小于2,而甲醛诱导的WO3纳米粉体色差值为20,可知甲醛诱导作用显著提高了WO3粉体的光致变色性能。他们分析认为甲醛诱导合成的WO3粉体的纳米尺寸小于紫外线波长,量子尺寸效应显著,WO3受光激发出的电子由价带向导带跃迁更容易;较大的比表面积有较高的反应活性和对激发光较强的吸收能力。
p H值较小时,多钨酸根离子同样有光致变色效果,因而尚通明[21]等从这个角度入手,选择水溶性高聚物聚丙烯酸(PAA)作为载体和成膜剂,添加适量的丙三醇作为保湿剂,制备了Na2WO4-PAA-Glycerol复合膜。该膜受太阳光照后,颜色在10s后开始变色,10min后变至最深,置于暗处则褪至无色或浅蓝色,时间小于2min,显示出良好的变色相应速度和变色可逆性。这是由于膜中含水,利于电子供体羧酸根、小分子氧化产物、氧气的扩散,因而变色与褪色速度均较快。针对实验结果,作者推测变色机理源于W(Ⅴ)与W(Ⅵ)的可逆变化。这很好地符合了Faughnan的提出双电荷注入/抽出模型。
可以看出,WO3超微粉体的光致变色条件还较为苛刻(350W的高压汞灯),而纳米尺寸的粉体和Na2WO4-PAA-Glycerol复合膜的效果较好。这是由于光致变色过程中物质迁移(如电子的跃迁,电子供体、氧化产物、氧化剂的扩散等)更容易进行,所以个人认为使物质迁移更容易进行是改进WO3光致变色性能的一个方向。
3 三氧化钨的气致变色性能的研究进展
气致变色(gasochromism)[22]是指材料在与反应气体接触后,发生可逆反应而产生对一定波长光波吸收的显色反应。对比电致变色系统,气致变色系统结构简单、影响因素少、全为固态材料,光学调节范围广、便于大面积生产、器件运行无能耗,因而更具实际应用前景[23]。WO3不仅是典型的电致变色材料,也是一种常见的气敏材料,是近年来开发出来的具有优良气敏性能和气致变色性能的半导体材料[24]。
WO3的气致变色性能常用极化子模型来解释。
以氢分子为例,氢分子在催化剂(如Pt)表面化学吸附分解;然后H沿着薄膜孔道扩散、迁移[25];同WO3反应生成极化子和H2O,H2O逃逸,极化子从一个晶格(W5+)向另一个晶格(W6+)的“跃迁”导致了光吸收,产生气致变色[26,27]。
史继超[28]等以W粉为原材料,通过溶胶-凝胶法结合提拉镀膜法制备掺钯的WO3纳米多孔薄膜。用紫外-可见-近红外分光光度计对薄膜的透射率随时间的变化进行原位动态的测试以分析水对气致变色性能的影响。结果表明:生成水逃逸出来后吸附在薄膜表面,阻碍气体扩散和与催化剂反应;环境吸附水含有的其他气体对膜有毒化作用;一定量的结构水利于氢离子在膜中扩散,利于膜快速致色。
杜开放[29]等以钨粉和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶技术和旋转镀膜法,在玻璃衬底上制备出WO3-SiO2纳米复合薄膜。对高温处理的复合膜和WO3薄膜进行气致变色性能测试显示复合膜的变色响应速率比纯WO3膜的更快。作者认为这是由于高温处理后,掺有SiO2的薄膜结构相对于没掺杂的薄膜更松散,利于氢气的扩散。
丁进月[30]等则以六氯化钨为原料,引入合适的两亲性聚合物模板PS-co-PAAL,用溶胶-凝胶法制得较规整的多孔WO3薄膜。并得出结论:多孔结构能提高离子、氢原子的扩散速率,提高气致变色的相应速度。
可见,对于气致变色的研究主要集中在促进变色过程中的物质的扩散这个方面。
4 结语
WO3的变色性能有着广泛的应用前景,但也有部分问题需要克服。如何缩短变色的响应时间,提高材料的稳定性,提高材料变色活性应当是现阶段乃至将来一段时间的主要方向。特别是缩短响应时间上,可以从加速物质扩散的角度来研究。
氧化变色 篇2
变色龙之所以会变色，取决于它皮肤的三层色素细胞，与其他的爬行动物不同的是，变色龙身体颜色的转变取决于皮肤表层内的色素细胞，在这些色素细胞中充满着不同颜色的色素。
纽约康奈尔大学生物系的安德森对变色龙的“变色原理”进行了详细解释：变色龙皮肤里有三层色素细胞，最深的一层是由承载黑素细胞构成的，其中细胞带有的黑色素可与上一层细胞相互交融，中间层是由鸟嘌呤细胞构成，它主要调控暗蓝色素，最外层细胞则主要是黄色素和红色素。
当变色龙的眼睛感觉到外界颜色发生变化时，这种信息会促使皮肤的色素细胞发生变化从而变色，变色龙皮肤里的每个细胞中，都有着四种色素：红、黄、储(即棕色)、绿。这四种色素，都会一忽儿扩张，一忽儿收缩。
比如，绿色素一受到草绿色的刺激，就立刻像树枝一样伸张开来，布满了整个细胞，同时，其余三种色素就收缩成为微细的个点。这时候，细胞就变成了绿色。
如果变色龙跳到红色的花丛里，那么红色素受到刺激，就会立刻伸展开来布满整个细胞，其余的三种色素又同时收缩成为微点，细胞就又变成了红色。
变色龙的皮肤是由无数细胞组成的，每个细胞都会发生变化，变色龙自然就变了颜色。
变色龙变色的作用?
交流
变色龙改变体色的目的更多地是为了交流，并不只是单纯的为了进行伪装。
变色龙通过变成绿色、蓝色、黄色、红色、棕色、白色或黑色，彼此进行互动交流。与人们的普遍观点相反，变色龙并不只是简单地根据周围环境改变颜色，而是通过身体的颜色展现它们的心情和状态。
温度
变色龙会根据周围的温度，紫外线的强弱来改变肤色，这些变化预示着它们所处的环境的温度变化。
情绪
变色龙愤怒时可能变成嫩黄色，变色龙的表皮细胞根据外界光线和温度的变化以及体内化学反应进行扩张和收缩。当它生气时，黄色细胞发生膨胀，阻碍了下层的蓝光反射出来，就会显示出黄色的体相特征。
高冠变色龙，它们在平静时体色展现为绿色，在精神紧张时身体上会出现密密麻麻的深色斑点。在熟睡时会变成淡雅的黄绿色，雌性在发情期体侧会出现亮黄色或黄褐色的斑块，而已怀孕的雌变色龙底色通常会变为黑灰色，上面点缀着墨绿和亮黄色的斑纹。
生理状态
雌性豹纹变色龙在发情期体侧会出现亮黄色或黄褐色的斑块，而已怀孕的雌变色龙底色通常会变为黑灰色，上面点缀着墨绿和亮黄色的斑纹。或者当它希望告诉雄性它们有没有交配意愿时，橙色斑纹会变成咖啡色或黑色。通过体色展示它们的态度，表达它们交配的意愿。
变色龙的变色是它们的生存本能，变色不但能帮助它们猎食，也能够更好的为它们带来伪装和防御。
怎么挑选变色龙?
在挑选之前，可以当场对变色龙进行投喂观察，如果变色龙看到食物马上吐舌猎食，舌头吐的越长，吐舌速度越快就表示健康状况越佳。
猎食之後，趁变色龙在咀嚼食物的时候，观察变色龙口腔内有没有异常状况。
白天的时候，变色龙的眼睛是张开的并且明亮有神，眼球也会不停的转动以保持警戒及寻找食物，这样的变色龙是健康的，如果在白天闭着眼睛，不怎么走动的变色龙，可能是生病或者体弱的变色龙。
引导变色龙爬到自己的手上，自己感受变色龙四肢的抓握力，抓握越有力表示该变色龙越强壮。
变色龙晚上睡觉的时候，尾巴会有力的盘卷起来或者盘卷在树枝上，如果松垮垮的垂直下来，就表示该变色龙的健康状态不好。
变色龙为什么会变色 篇3
北美洲有一种牛蛙，它的体色有时是黄绿色的;有时是翠绿色的;有时是灰褐色;始终同周围的水草、泥土的颜色溶为一体，非常适应。
还有一种雨蛙，也是变色能手。它们在一般情况下是黑色的，但当它处在光天化日之下或粗糙而浅淡的物体上时，皮肤就会变成浅色;在阴暗角落生活时，肤色会骤然变深;如果在干燥的环境中，肤色就会变得苍白。
除此之外，还有变色蛇、变色蟹、变色鹿、变色鸟、变色鱼、变色乌贼等等。
为什么动物要变色呢?