混合价态钨基纳米材料的合成及其在近红外吸收方面的应用

Development of effective near infrared (NIR)absorbent with a broad working waveband is an advanced hot topic which has significant meaning in improving living conditions of human beings from the viewpoint of photothermal ablation, energy economization, solar collectors, heat-ray shielding smart windows, stealth technology, and optical filters. In this project,it is planed to synthesize the reductive state tungsten-oxides-based nanomaterial with controllable morphologies,suitable chemical oxidation state and prefrential crystal growth direction via a facile low-temperature solvothermal process for the applications of near infrared absorption (including photothermal ablation and energy-saving window). By optimizing experimental conditions, it is expected to obtain effective NIR absorbent which can realize strong and wide absorptive properties in the whole NIR region of 200-2700 nm. On the merits of selective synthesizing nanoparticle with a special morphology,the optical scattering of light on the particles could be reduced obviously since the size of tiny naoparticles is far smaller than the wavelength of light and the decrment on scattering can also come from certain special shape of nanoparticle. Meanwhile, the pronounced absorptive ability of nanomaterial originating from the enhanced polaron hopping effects may be achieved by tuning the chemical oxidation state of tungsten ions and growth orientation of crystals. The theme of this project mainly covers the efforts on synthetic method, research on the application of tungsten oxide nanoparticle for the energy-saving window and photothermal ablation cancer therapy using NIR absorbent of reductive tungsten oxide. Theoretically, this project focuses on investigating the undiscovered relationship of the particle morphology,crystal size and growth direction with the properties of NIR absorption, as well as inpecting its intrinsic mechanism.

研究开发高效且具有宽谱带吸收特性的近红外线吸收质具有很高的实际应用意义,这是由于其可以广泛地应用于防热线功能窗户,生物光热疗法,军事隐形涂层以及光学特种滤光片,光学防伪等方面。本项目拟采用溶剂热等易得方法,从控制材料微观形貌,化学价态组成,晶体取向等方面入手，通过优化实验条件，合成具有高效近红外线吸收能力的混合价态钨基纳米粒子,并将其应用于热线控制功能窗户以及生物光热疗法。利用选择性地合成特殊形貌纳米粒子来降低材料对光的散射,同时通过控制钨的价态和晶体取向来提高声子和极化子效应，进而提高对近红外光的高效宽谱带的吸收。本项目研究重点涵盖特殊形貌钨基纳米粒子的可控低温合成,开发以红外线吸收质为主体的节能窗户技术,以及应用还原态钨基材料于生物光热疗法。在理论上,本项目立足于探求粒子结晶形貌，生长方向，生长尺寸与红外线吸收特性的依赖关系,考察钨基纳米粒子在具体红外线吸收应用方面的内在机理。

近红外光是指波长范围在780-2500 nm的电磁波，在我们熟知太阳光中近红外光的总能量也占到50 %左右。研发高效宽谱带近红外光吸收质具有很高的实际应用意义，可服务于诸多的应用领域如热线屏蔽窗体材料、生物光热和光动力治疗、防伪技术、军事防护镜、太阳能电池等诸多领域。然而，大多数的近红外吸收材料存在吸收谱带窄、吸收系数低、稳定性差等缺点。混合价态氧化钨物种是被发现优异的近红外吸收材料且不存在以上缺点，但是其合成方法主要依赖于高温固相法并且需要后续的粒子破碎过程来减低粒子尺寸用以增加光吸收性能。.本项目针对以上问题，首先通过低温溶剂热法合成了一系列的混合价态的钨青铜和钨亚氧化物物种，并通过控制其微观结构获得了近红外吸收性质优异的纳米材料。随后，我们首先将其作为光活性物质分散于薄膜中。实验结果表明含有此类材料的薄膜具有优异的近红外光屏蔽效果，其可以透过大部分可见光的同时屏蔽掉几乎全部的近红外线。另外，我们还利用钨青铜用于肿瘤多功能诊疗一体化。钨青铜纳米粒子在近红外区具有较宽和较强的光学吸收，吸收范围包含了第一生物窗口与第二生物窗口，并且在外加近红外光的照射下可同时产生局部高热，光生活性氧物质以及光声信号。进而，同时可以实现光热治疗，光动力治疗和光声成像等功能。又由于钨元素具有较大的原子序数，因此可以用于CT成像。因而，我们利用钨青铜纳米材料实现了双重生物窗口下光声/CT双重功能成像指导的光热/光动力双重功能治疗，完成了肿瘤成像与治疗的多维一体化。最后，本项目中开发的近红外吸收材料还可以作为光催化剂或光敏剂用于涵盖紫外，可见，近红外全光谱响应的光催化剂。总之，本项目中开发的混合价态钨氧化物有望服务于诸多相关领域。