【摘要】：電致變色材料是通過電壓調節(jié)實現自身可調控的光學和顏色變化的一類材料。它不僅可以用在智能窗上,也可以用于低能顯示器、電子紙、傳感器、衛(wèi)星和遮陽板等領域。此外,電致變色材料還可以用于汽車防炫目的后視鏡上,避免強光入射刺激眼睛帶來的安全隱患。本課題所制備的復合材料是基于電致變色領域研究較為廣泛的三種過渡金屬氧化物(MoO_3、WO_3和V_2O_5),它們通過與導電聚合物復合來提高其電化學性能和增強電致變色性能。通過構筑無機/有機納米復合材料,發(fā)揮復合材料中兩種組分的相互協(xié)同作用,來改善材料的電致變色性能。通過對復合材料形貌和尺寸的調控,增大復合材料電極的比表面積,縮短離子傳輸距離,提高復合材料的響應時間、改善循環(huán)測試穩(wěn)定性和光學性能的目的。聚苯胺電致變色時具有多種顏色的變化、快速響應時間和高的光學對比度等優(yōu)點。本課題采用聚苯胺與MoO_3、WO_3和V_2O_5三種過渡金屬氧化物復合,得到過渡金屬氧化物/聚苯胺納米復合材料。這些復合材料電致變色時具有顏色變化豐富、電化學循環(huán)穩(wěn)定性良好、響應時間快、導電性好和光譜調節(jié)范圍廣等優(yōu)點。采用水熱-電沉積工藝合成三維網絡結構的MoO_3@PANI納米片復合材料。通過簡單的水熱法和冷凍干燥工藝相結合,在ITO導電玻璃表面形成三維網狀MoO_3納米片,再利用電化學沉積工藝將聚苯胺包覆在MoO_3納米片表面得到三維網絡結構的MoO_3@PANI納米片復合材料。電沉積實驗的最佳條件是:在0.01mol/L苯胺和0.1 mol/L硫酸水溶液中,沉積電壓為-0.2~1.2 V之間,掃速為50 mV s~(-1),循環(huán)沉積4圈。納米片包覆聚苯胺后不僅提高了電極和電解液界面的導電率,也提高了離子電荷遷移能力,從而表明復合薄膜具有更高的電化學活性和電極反應動力。復合薄膜的納米片結構有利于離子和電子的徑向傳導,而且在三維網絡結構的復合材料中存在大量空隙,這些空隙能夠有效增加電解液和電極材料的電化學反應接觸面積。復合薄膜的循環(huán)穩(wěn)定性測試可達500次,此時透過率變化值為30%,變?yōu)槌跏纪高^率的75%,平均每圈衰減0.05%。復合材料擁有快速的響應時間,著色時間為1.0 s,褪色時間可達0.9 s。MoO_3@PANI納米片還原態(tài)的鋰離子擴散系數為5.66×10~-1010 cm~2 s~(-1),氧化態(tài)的鋰離子擴散系數8.65×10~-1111 cm~2 s~(-1)。MoO_3@PANI納米片的離子擴散系數比MoO_3納米片增加數倍。MoO_3@PANI納米片顏色變化豐富,可從藍色、灰色、黃色、綠色到紫色。采用水熱-電沉積工藝合成方法制備了類似海膽狀的WO_3@PANI核殼納米帶結構。該復合材料經過1000次的循環(huán)測試后,仍然保持良好的穩(wěn)定性,透過率變化為初始狀態(tài)的87%,平均每圈透過率僅衰減0.013%。WO_3@PANI核殼納米帶的褪色時間為1.5 s,著色時間為1.9 s。WO_3@PANI核殼納米帶還原態(tài)的離子擴散系數為2.98×10~-99 cm~2 s~(-1),氧化態(tài)的離子擴散系數3.20×10~-1010 cm~2 s~(-1)。WO_3@PANI核殼納米帶的離子擴散系數比復合之前增加數倍。電致變色時透過率光譜調節(jié)范圍較大,顏色變化可從藍色、灰色、黃色、綠色到紫色。室溫條件下,采用V_2O_5重結晶的方法制備V_2O_5納米帶。再通過化學合成方法與聚苯胺復合制備三維網絡狀的V_2O_5@PANI核殼納米線。復合實驗的最佳反應時間為4 h,此時所得到的復合材料響應時間最短,透過率變化值最大。這種制備方法具有更容易操作和設備投資更少的優(yōu)點。該復合薄膜經過1000次測試后,透過率變化值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的64%,平均每圈衰減0.036%,具有良好的穩(wěn)定性。V_2O_5@PANI核殼納米線的褪色時間為1.5 s,著色時間為2.3 s。V_2O_5@PANI核殼納米線還原態(tài)的離子擴散系數為8.65×10~-1111 cm~2 s~(-1),氧化態(tài)的離子擴散系數1.10×10~-1010 cm~2 s~(-1)。復合之后的離子擴散系數比復合前增加數倍。V_2O_5@PANI核殼納米線復合材料的顏色變化所占色系豐富,可以從黑色、淺黃、黃色、紅色到綠色。這是由于V_2O_5在過渡金屬氧化物中是唯一既能夠在高價氧化態(tài)著色,又能夠在低價還原態(tài)著色的雙著色電致變材料,所以它與聚苯胺進行復合得到的電致變色材料顏色變化更為豐富。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB33
【圖文】：

1-1 元素周期表中具有陽極著色和陰極著色的過渡金屬氧化物對應的元1-1 The elements of the transition metal oxides with anodic coloration and coloration in the periodic table[60]謂陽極電致變色氧化物是指在高價氧化態(tài)時材料為著色態(tài)，低價為褪色態(tài)。陰極電致變色恰好相反，在低價還原態(tài)時材料為著態(tài)時材料為褪色態(tài)。圖 1-1 列出了主要的幾種過渡金屬氧化物電

WO3晶體結構圖

α-MoO3晶體結構圖

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 林改;;全固態(tài)電致變色智能窗[J];玻璃;2015年03期

2 姚健;陶衛(wèi)東;;智能窗及其研究進展[J];門窗;2009年06期

3 蔣群杰;李毅;胡雙雙;武斌;俞曉靜;;基于熱光效應的智能窗薄膜材料[J];激光與光電子學進展;2007年12期

本文編號：2751364