《Chem. Rev.》：钒氧化物的相图、结构、合成和应用

具有多种氧化态和各种晶体结构的钒氧化物具有独特的电学、光学、光电和磁学性质，从而可以应用于多个领域。在过去的30年里，人们开展了钒氧化物的基础研究并探索了钒氧化物材料在离子电池、水分解、智能窗户、超级电容器、传感器等方面的潜力。

近日，西北大学物理学院胡鹏教授与武汉理工大学麦立强教授、香港中文大学龙祎教授合作对钒氧化物的相图、结构、合成和应用进行了综述，并展望了未来的发展方向。

该综述全面综述了各种钒氧化物的历史、相图、结构、合成和应用。该综述论文首先介绍了金属钒的发现历史及其氧化物的多样性，接下来从V−O系统的相图出发，介绍了V-O系统中的热力学稳定相及亚稳相，包括但不限于V2O3、V3O5、VO2、V3O7、V2O5、V2O2、V6O13和V4O9等。接下来详细综述了各种钒氧化物的晶体结构、相转换、合成方法及应用，尤其是在离子电池、催化（析氢、析氧、水分解等）、光学调制（智能玻璃、光开关、等离子体共振）、超级电容器、电致变色等方面应用的最新进展。

论文最后提出了该领域未来的一些发展方向：

1. 探索钒氧化物被低估的领域，例如：由于一些钒氧化物的绝缘体到金属的相变在其临界温度以上提供了急剧增强的光学吸收，因此利用其热相变特性进行生物热成像，智能医疗等。

2. 开发高水平的理论计算，使研究人员能够在多个尺度上理解复杂和相互作用现象的起源，加速我们对高性能器件基本原理的理解，指导钒氧化物及其复合材料的合理设计，并更好地理解高性能器件的基本原理。此外，机器学习是设计和探索具有所需财产的新型钒氧化物的有用工具，可以帮助理解钒氧化物的结构和性能之间的复杂相关性。

3. 可应用于新型电子器件的超薄或二维钒氧化物的制备。由于单层的原子尺度厚度，2D材料具有可调的电学性质和带隙。因此，2D钒氧化物可能在低功率电子、柔性电子、光电子、催化、电池等领域有着广泛的应用前景。此外，2D钒氧化合物还可能与其他超薄2D纳米材料形成新型2D异质结构，从而引发一些新型器件及应用。

4. 探索稳定钒氧化物相关器件的新方法，特别是热、光、湿度和氧气环境稳定性。长期设备稳定性是所有设备面临的最重要挑战之一。大多数钒氧化物对氧气和水分敏感，这可能导致器件性能下降。此外，器件的大多数稳定性测量是在环境条件下进行的，这限制了它们在高温、高湿度和高光强等条件下的应用。同时，了解基于钒氧化物的不同类型器件的降解机制也很重要，这可能是提高器件稳定性的关键。

5. 探索新的绿色化学合成方法，消除钒氧化物的毒性。钒氧化物会引起各种毒性作用，如生化变化、神经行为损伤以及肝脏和骨骼的功能损伤。特别是，呼吸空气中的钒氧化物会导致肺部问题和白细胞DNA损伤。毒性更多地与相结构、化学计量比、浓度、粒度和结晶度有关，在钒氧化物的所有应用过程中都可以考虑这些因素。因此，探索新的绿色合成方法，避免钒氧化物生产、使用和处置过程中对人类和环境的风险，值得进行更系统、更全面的研究。

6. 实现双功能、三功能甚至多功能钒氧化物的集成有望大大降低成本和不同材料的不兼容性。

该综述有助于相关领域研究者了解钒氧化物的研究现状，有望为相关领域的学者提供参考，并将吸引材料科学、器件物理学、土木工程、机械设计和生物科学等多学科领域的许多科学家对钒氧化物的兴趣，并将其与各自领域融合，有助于解决全球能源及环境危机中的关键挑战。

欢迎关注公众号【天玑算】和【科研留声机】，及时获取动态