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Publicação
Optimizing the synthesis of VO2(M)@SiO2 Core-shells
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Vanadium oxides boast a wide variety of unique properties, with monoclinic vanadium dioxide, VO2(M),in particular, possessing a reversible metal-to-insulator transition which modifies its near-infrared reflectance and brings it a considerable interest for thermochromic applications involving heat regulation. However, VO2(M) production is generally extended, and the finished product is highly reactive in an open atmosphere, leading it to oxidize, which degrades their desired thermochromic capabilities and limits its practical applicability.
In this work, VO2@SiO2 core-shell structures are proposed to serve as remedy to the low oxidation resistance of VO2(M), while simultaneously enhancing its optical properties for passive smart-window applications. Firstly, VO2(B) powders showcasing high crystallinity were obtained through a simple 20-minute hydrothermal synthesis assisted by microwave radiation using molar ratios from 1:2 to 1:4 between the starting reagents of vanadium pentoxide (V2O5) and oxalic acid (C2H2O4), respectively. From these powders, following a sintering process of at least 500 °C for 1 hour in a nitrogen atmosphere, optimized VO2 (M) powders with well-defined metal-to-insulator transitions between 70-75.5 °C were achieved.
Coating the as-produced VO2(M) nanoparticles with a protective SiO2 layer using a Stöber growth method, thereby forming a VO2@SiO2 core-shell structure, significantly improved their oxidation resistance, successfully persisting as a monoclinic phase for temperatures 50 °C higher than uncoated particles. Likewise, their visible light transmittance, after being deposited by means of spray-coating onto glass substrates, also increased by 35.8%, while simultaneously maintaining their original thermochromic capabilities, even after multiple heating cycles.
The optimized thermochromic capabilities of the produced VO2(M) particles in conjunction with the benefits of the proposed core-shell structures should prove effective for practical thermochromic applications, providing an enhanced lifetime and transparency, along with the desired response to environmental temperature for smart energy regulation.
Óxidos de vanádio possuem uma variedade de propriedades únicas, e dióxido de vanádio monoclínico, VO2(M), em particular, possui uma transição de metal para isolante que altera a sua refletividade à radiação infravermelha e lhe traz um interesse considerável para aplicações termocrómicas que envolvem a regulação de temperatura. Contudo, a produção de VO2(M) é extensa e o produto final é altamente reativo a atmosferas abertas, levando à sua oxidação, degradando as suas capacidades termocrómicas e limitando a sua aplicabilidade prática. Neste trabalho, são propostas estruturas VO2@SiO2 core-shells com o intuito de melhorar simultaneamente a resistência à oxidação e as propriedades óticas para aplicações em janelas inteligentes. Pós de VO2(B) com alta cristalinidade foram obtidos através de uma síntese hidrotermal assistida por radiação de micro-ondas durante 20 minutos, usando um rácio de massa de 1:2.0 a 1:4.0 entre os reagentes iniciais de pentóxido de vanádio (V2O5) e ácido oxálico (C2H2O4). Destes pós, após uma sinterização a 500 °C durante 1 hora numa atmosfera de nitrogénio, obtiveram-se amostras otimizadas de VO2(M) com a transição metal-isolante bem definida entre 70-75.5 °C. Revestindo as nanopartículas de VO2(M) com uma camada protetora de SiO2 usando um método de crescimento Stöber, formando uma estrutura core-shell VO2@SiO2, foi possível melhorar a resistência à oxidação, em que a fase monoclínica persiste a temperaturas 50°C acima das partículas sem revestimento. Após a deposição das core-shells em vidro através de spray-coating, verificou-se um aumentou da transmitância de luz visível de 35.8%, mantendo as capacidades termocrómicas originais mesmo após vários ciclos de aquecimento. As capacidades termocrómicas otimizadas das partículas de VO2(M) sintetizadas, em conjunto com os benefícios das core-shells propostas, são promissoras para a aplicação prática em dispositivos termocrómicos, fornecendo um maior tempo de vida efetivo e transparência, assim como as propriedades desejadas de resposta à temperatura para regulação inteligente de energia.
Óxidos de vanádio possuem uma variedade de propriedades únicas, e dióxido de vanádio monoclínico, VO2(M), em particular, possui uma transição de metal para isolante que altera a sua refletividade à radiação infravermelha e lhe traz um interesse considerável para aplicações termocrómicas que envolvem a regulação de temperatura. Contudo, a produção de VO2(M) é extensa e o produto final é altamente reativo a atmosferas abertas, levando à sua oxidação, degradando as suas capacidades termocrómicas e limitando a sua aplicabilidade prática. Neste trabalho, são propostas estruturas VO2@SiO2 core-shells com o intuito de melhorar simultaneamente a resistência à oxidação e as propriedades óticas para aplicações em janelas inteligentes. Pós de VO2(B) com alta cristalinidade foram obtidos através de uma síntese hidrotermal assistida por radiação de micro-ondas durante 20 minutos, usando um rácio de massa de 1:2.0 a 1:4.0 entre os reagentes iniciais de pentóxido de vanádio (V2O5) e ácido oxálico (C2H2O4). Destes pós, após uma sinterização a 500 °C durante 1 hora numa atmosfera de nitrogénio, obtiveram-se amostras otimizadas de VO2(M) com a transição metal-isolante bem definida entre 70-75.5 °C. Revestindo as nanopartículas de VO2(M) com uma camada protetora de SiO2 usando um método de crescimento Stöber, formando uma estrutura core-shell VO2@SiO2, foi possível melhorar a resistência à oxidação, em que a fase monoclínica persiste a temperaturas 50°C acima das partículas sem revestimento. Após a deposição das core-shells em vidro através de spray-coating, verificou-se um aumentou da transmitância de luz visível de 35.8%, mantendo as capacidades termocrómicas originais mesmo após vários ciclos de aquecimento. As capacidades termocrómicas otimizadas das partículas de VO2(M) sintetizadas, em conjunto com os benefícios das core-shells propostas, são promissoras para a aplicação prática em dispositivos termocrómicos, fornecendo um maior tempo de vida efetivo e transparência, assim como as propriedades desejadas de resposta à temperatura para regulação inteligente de energia.
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Palavras-chave
Vanadium oxide metal-to-insulator transition hydrothermal synthesis thermochromic devices core-shells spray-coating