酸化バナジウム(IV)

酸化バナジウム(IV)

名前
IUPAC名 酸化バナジウム(IV)
その他の名前 二酸化バナジウム
識別子
CAS番号	12036-21-4 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:30047
ケムスパイダー	74761
ECHA 情報カード	100.031.661
EC番号	234-841-1
グメリン参照	873472
パブケム CID	82849
CompTox ダッシュボード ( EPA )	ＤＴＸＳＩＤ５０６５１９４
InChI InChI=1S/2O.V キー: GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N
笑顔 O=[V]=O
プロパティ
化学式	VO2翻訳
モル質量	82.94グラム/モル
外観	青黒色の粉末
密度	4.571 g/cm 3 (単斜晶系) 4.653 g/cm 3 (正方晶系)
融点	1,967 °C (2,240 K) [1]
磁化率（χ）	+99.0·10 −6 cm 3 /モル[2]
構造
結晶構造	歪んだルチル（<70 °C (343 K)、単斜晶） ルチル（>70 °C (343 K)、正方晶）
危険
労働安全衛生（OHS/OSH）：
主な危険	有毒
GHSラベル: [3]
ピクトグラム
シグナルワード	警告
危険有害性情報	H315、H319
注意事項	P264、P280、P302+P352、P305+P351+P338、P332+P313、P337+P313、P362
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	3 0 0
引火点	不燃性
関連化合物
その他の陰イオン	二硫化 バナジウム二セレン化バナジウム 二テルル化バナジウム
その他の陽イオン	ニオブ(IV)酸化物 タンタル(IV)酸化物
関連するバナジウム 酸化物	バナジウム(II)酸化物 バナジウム(III)酸化物 バナジウム(V)酸化物
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 はい 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

酸化バナジウム(IV)または二酸化バナジウムは、化学式VO_{​​ 2の}無機化合物です。濃い青色の固体です。二酸化バナジウム(IV)は両性で、非酸化酸に溶解すると青色のバナジルイオン[VO] ²⁺となり、アルカリに溶解すると茶色の[V ₄ O ₉ ] ²⁻イオンとなり、高pHでは[VO ₄ ] ^{4− と}なります。^[4] VO _{2 は}室温（約68℃（341 K））に非常に近い温度で相転移を起こします。^{[5]電気抵抗率、不透明度などが数桁変化します。これらの特性から、表面コーティング[6]} 、センサー^[7] 、イメージングなどに使用されています。^[8]潜在的な用途としては、メモリデバイス、^{[9] [10]}相変化スイッチ、^[11]温度に応じて冷却または加熱するスマートウィンドウや屋根などの受動放射冷却アプリケーション、 ^{[12] [13] [14]}航空宇宙通信システム、ニューロモルフィックコンピューティングなどがあります。^[15]自然界では、パラモントローゼイトという鉱物として存在します。

T _c = 340 K (67 °C)以下の温度では、VO
₂単斜晶系（空間群P2 ₁ /c）の結晶構造を持つ。T _{c を}超えると、構造はルチルTiOのような正方晶系になる。
₂単斜晶相では、V ⁴⁺イオンは c 軸に沿ってペアを形成し、2.65 Å と 3.12 Å の短い VV 距離と長い VV 距離が交互に現れます。これに対して、ルチル相では、V ^{4+イオンは 2.96 Å の固定距離で分離されています。その結果、結晶学的な単位格子内の V 4+}イオンの数は、ルチル相から単斜晶相まで 2 倍になります。^[5]

ルチルVOの平衡形態
₂粒子は針状で、横方向には最も安定した終端面である（110）面によって閉じ込められている。^[16]表面は化学量論組成に対して酸化される傾向があり、（110）面に吸着された酸素がバナジル種を形成する。^[16] VOの表面でのV 5+イオンの存在は、VOの表面にV 5+イオン^{が存在することを示している。}
₂フィルムはX線光電子分光法によって確認されている。^[17]

2022年に、この材料のこれまで知られていなかったユニークな特徴が報告されました。それは、以前の外部刺激を「記憶」できる^{（電子状態ではなく構造状態を介して）というものであり、例えばデータの保存や処理が可能で、}ニューロモルフィックコンピューティングにも含まれる可能性があるとのことです。^{[18] [19]}

ルチルから単斜晶への転移温度（67℃（340 K））では、VO
₂VO 2 は電子構造において金属から半導体への転移も示す。ルチル相は金属であり、単斜晶相は半導体である。^{[20] VO} ₂の低温単斜晶相における光学バンドギャップは約 0.7 eV である。[ 21 ^]

金属VO2_は、金属の熱伝導率（κ）と電気伝導率（σ）の電子寄与の比が温度に比例するというヴィーデマン・フランツの法則に反する。電子の動きに起因すると考えられる熱伝導率は、ヴィーデマン・フランツの法則で予測される量の10％であった。この理由は、電子が材料中を流体的に移動して、典型的なランダムな電子運動を減らすためであると思われる。^[22]熱伝導率〜0.2 W/m⋅K、電気伝導率〜8.0 ×10^5 S/m。^[23]

潜在的な用途としては、エンジンや家電製品からの廃熱を電気に変換することや^[24]、建物を涼しく保つ窓や窓カバーなどが挙げられる。^{[12] VO2}_を他の材料と混合すると熱伝導率が変化する。低温では絶縁体として機能し、高温では熱を伝導する。^[22]

ベルセリウスが説明した方法に従って、VO
₂は、酸化バナジウム(III)と酸化バナジウム(V)の混合反応によって製造される：^[25]

五
₂お
₅ + V
₂お
₃ → 4声
₂

室温では、VO _{2 は歪んだ}ルチル構造を持ち、V 原子のペア間の距離が短く、金属間結合を示しています。68 °C (341 K) を超えると、構造は歪みのないルチル構造に変化し、金属間結合が切断され、結合電子が「解放」されるため、電気伝導率と磁化率が増加します。^[4]この絶縁体から金属への転移の起源は依然として議論の余地があり、凝縮物質物理学^[26]と、電気スイッチ、調整可能な電気フィルター、電力リミッター、ナノ発振器^{[27] 、} メモリスタ、電界効果トランジスタ、メタマテリアルなどの実際のアプリケーションの両方で興味深いものです。^{[28] [29] [30]}

音声
₂温度依存の反射特性を示す。室温から80℃（353 K）まで加熱すると、材料の熱放射は通常74℃（347 K）まで上昇し、その後突然20℃（​​293 K）付近まで低下する。室温では、VO
₂赤外線に対してほぼ透明である。温度が上昇するにつれて徐々に反射性に変化する。中間温度では吸収性の高い誘電体として動作する。^{[31] [32]}

サファイアのような高反射基板（特定の赤外線波長に対して）上の酸化バナジウムの薄膜は、温度に応じて吸収または反射します。その放射率は温度によって大きく変化します。酸化バナジウムが温度上昇によって変化すると、構造の放射率が急激に低下し、赤外線カメラでは実際よりも冷たく見えます。^{[33] [31]}

基板材料（例えば、インジウムスズ酸化物）を変更したり、ドーピング、歪み、またはその他のプロセスを使用して酸化バナジウムコーティングを変更したりすると、熱効果が観察される波長と温度範囲が変わります。^{[31] [33]}

材料の遷移領域に自然に現れるナノスケールの構造は、温度が上昇するにつれて熱放射を抑制することができます。コーティングにタングステンをドーピングすると、効果の熱範囲が室温まで下がります。^[31]

ドープされていない二酸化バナジウム膜とタングステンドープされた二酸化バナジウム膜は、「スペクトル選択性」コーティングとして機能し、赤外線透過を遮断し、窓からの建物内部の熱損失を減らすことができます。^{[33] [34] [35]}タングステンの量を変えることで、タングステン1原子パーセントあたり20℃（20K）の割合で相転移温度を調節できます。^[33]コーティングはわずかに黄緑色です。^[36] VO2と反射防止層を組み合わせることで、省エネスマートウィンドウの性能を高めることができます。^{[37] V} _1-x W _x O ₂ベースの多層膜を低温で製造する技術は、工業規模にまで拡大されています。^[38]

その熱特性の他の潜在的な用途としては、パッシブカモフラージュ、サーマルビーコン、通信、または意図的に冷却を速めたり遅くしたりすることなどが挙げられます。これらの用途は、住宅から衛星までさまざまな構造物に役立つ可能性があります。^[31]

二酸化バナジウムは、ミサイル誘導システム、カメラ、データストレージ、その他の用途のための超高速光変調器、赤外線変調器として機能することができる。透明な半導体相と反射導電相の間の熱変色性相転移は、68℃（341K）で発生し、100フェムト秒という短い時間で起こる可能性がある。^[39]

二酸化バナジウムは、追加のエネルギー入力なしで、パッシブな昼間の放射冷却面の温度に基づいた「切り替え可能な」冷却および加熱効果を実現するために不可欠です。温度に基づいた切り替えは、特に暑い夏と寒い冬の都市環境での放射冷却装置の潜在的な「過冷却」効果を軽減するために不可欠であり、放射冷却装置が必要に応じてパッシブな加熱装置としても機能することを可能にします。^{[40] [41]}

_VO2の絶縁体-金属相転移は、バイアス導電性原子間力顕微鏡チップを使用してナノスケールで操作することができ、^[42]コンピューティングや情報ストレージへの応用が示唆されています。^[10]

• バナジウムレド​​ックス電池

ウィキメディア・コモンズには、酸化バナジウム(IV)に関連するメディアがあります。

• ヘインズ、ウィリアムM.編 (2011)。CRC化学・物理ハンドブック(第 92 版) 。CRC プレス。ISBN 978-1-4398-5511-9。