Thermochromic Vanadium Dioxide for energy saving applications: a study on solution-based synthe tic approach


This item is provided by the institution :
University of Crete
Repository :
E-Locus Institutional Repository
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*

Semantic enrichment/homogenization by EKT
2017 (EN)
Θερμοχρωμικό Διοξείδιο του Βαναδίου για εφαρμογές στην εξοικονόμηση ενέργειας: παραμετροποίηση της μεθοδολογίας σύνθεσης σε διάλυμα
Thermochromic Vanadium Dioxide for energy saving applications: a study on solution-based synthe tic approach

Ζουρίδη, Λέιλα Γ.

Αναστασιάδης, Σπύρος

Το διοξείδιο του Βαναδίου αποτελεί το πιο πολλά υποσχόμενο θερμοχρωμικό υλικό στερεάς κατάστασης. Οι πιθανές του εφαρμογές βρίσκονται στον τομέα των “έξυπνων” παραθύρων και τζαμιών, λόγω των μοναδικών του οπτικών ιδιοτήτων οι οποίες προέρχονται από την εγγενή και αναστρέψιμη δομική μετάβαση του σε μια κρίσιμη θερμοκρασία Tc= 68 oC. Σε αυτή την διατριβή παρουσιάζουμε τα κίνητρα, τις προκλήσεις και τα αποτελέσματα του πειραματικού μας σχεδίου με τίτλο “Θερμοχρωμικό Διοξείδιο του Βαναδίου για εφαρμογές στην εξοικονόμηση ενέργειας: Παραμετροποίηση της μεθοδολογίας σύνθεσης σε διάλυμα”. Για την υδροθερμική σύνθεση του υλικού χρησιμοποιήσαμε τα αντιδραστήρια V2Ο5 ως πηγή βαναδίου και οξαλικό οξύ ως αναγωγικό παράγοντας. Στην συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση από διαφορετικές παραμέτρους στην σύνθεση με βάση το διάλυμα του VO2, εστιάζοντας σε κάθε παράμετρο και χαρακτηρίζοντας τα προϊόντα. Προτιμήσαμε να εξετάσουμε τις χημικές παραμέτρους της σύνθεσης μας, όπως για παράδειγμα οι συγκετρώσεις των αντιδρώντων (μοριακή αναλογία των πρόδρομων ενώσεων και πυνκότητα του V22O5 στο διάλυμα), ο όγκος της σύνθεσης (20 vs 40 mL), το pH της σύνθεσης (από όξινο εώς βασικό), η επίδραση πρόσθετων αντιδραστηρίων (H2SO4 και θειουρία) και η επίδραση των προσμείξεων (W και Mg). Τα “ως ληφθέντα” προϊόντα χαρακτηρίστηκαν από τις τεχνικές: x-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), field emission scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray (EDX) and thermogravimetric analysis (TGA). Κατά την διάρκεια της υδροθερμικής αναγωγής του to V2O5 μετατράπηκε σε διαφορετικά οξείδια του βαναδίου καθώς και σε διαφορετικά κρυσταλλικά πολύμορφα του VO2. Έπειτα, προκειμένου να πετύχουμε καλύτερη κρυσταλλικότητα στα υλικά και να μετατρέψουμε τα προϊόντα μας πλήρως στο επιθυμητό θερμοχρωμικό πολύμορφο, τα υλικά μας εκτέθηκαν σε υψηλές θερμοχρασίες σε ένα κατάλληλο φούρνο υπό ροή σταθερού αέριου αζώτου, ώστε να αποφύγουμε την οξείδωσή τους. Τα “τελικά” προϊόντα χαρακτηρίστηκαν επίσης με τις ίδιες τεχνικές και τα αποτελέσματα συζητήθηκαν συγκριτικά με τα δεδομένα από τα “ως ληφθέντα” και ως προς τις διαφορετικέ συνθετικές παραμέτρους. Καταφέραμε να συνθέσουμε σε υψηλές αποδόσεις σκόνες υψηλής κρυσταλλικότητας καθαρού VO2, και με καλές θερμοχρωμικές ιδιότητες, Tc από 59 oC έως 67 oC αναλόγως την πειραματική πορεία διαφορετικών παραμέτρων. Στην εργασία αυτή, προτείνουμε μια βελτιστοποιημένη υδροθερμική πορεία για την σύνθεση προϊοντος καλής κρυσταλλικότητας σε καλές αποδόσεις και επιδιώκουμε να εξηγήσουμε τον μηχανισμό πίσω από τις χημικές διεργασίες. (EL)
Vanadium dioxide is one of the most promising thermochromic solid-state materials. It has potential application in the field of smart windows and glazings, due to its unique optical properties related to its inherent and reversible structural transition at a critical temperature of Tc = 68 oC. In this thesis we present the motivations, challenges and results of our project “Thermochromic Vanadium Dioxide for energy saving applications: A study on solution-based synthetic approach”. In our hydrothermal synthesis approach, we started with reagents V2O5 as the vanadium source and oxalic acid as its reducing agent. Then a study of the effects of different parameters on the solution-based synthesis of VO2 was conducted by focusing on each parameter and characterizing the resulting products. We preferred to experiment with the chemical parameters of our synthesis, such as reagents concentration (molar ratio of precursors and V2O5 density in solution), synthesis volume (20 vs 40 mL), synthesis pH (acidic to basic), effect of additives (H2SO4 and thiourea) and effect of dopants (W and Mg). The as obtained products were characterized by x-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), field emission scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray (EDX) and thermogravimetric analysis (TGA). During the hydrothermal reduction, V2O5 was reduced into different vanadium oxides and also into different VO2 crystalline polymorphs. Then, in order to achieve better crystallinity and to fully convert the products to the desired thermochromic polymorph, our samples were annealed in a furnace under constant nitrogen gas flow, to avoid the oxidation of our samples. The final products were also characterized by the same techniques and results were discussed in comparison to the as obtained data and the synthesis parameter changes. We achieved to produce powders of high crystallinity pure thermochromic VO2 in high yields, and with good thermochromic properties with Tc ranging from 59 oC to 67 oC depending from the synthesis parameters configuration used. An optimized hydrothermal route for achieving better crystallinity products in high yields is proposed, and a possible explanation of the mechanism behind our synthesis is discussed. (EN)


Vanadium dioxide
Synthesis optimization
Synthesis mechanism
Διοξείδιο του βαναδίου

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)


*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)