二氧化锰纳米结构的制备及其电致变色性能

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随着经济与工业技术、科技手段的不断发展,人们的生活水平得到了质的提高,随之而来的是各种化石燃料以及能源的大量消耗。能源消耗的同时,带来的环境污染也一直困扰着民众的日常生活,探索节能环保的绿色材料成了当今科学家探索研究的重点。作为一种环保节能的新型材料,二氧化锰对实现降低资源消耗、节约现有能源,顺应时代发展具有积极的推动作用。研究性能优良的电致变色材料,实现电致变色器件的产业化发展,已成为该领域专家的研究重点。本文通过水热法等方法制备了由花状纳米MnO2、MnO2纳米片、MnO2纳米线构成的薄膜,并对不同反应条件制备的由花状纳米MnO2、MnO2纳米片、MnO2纳米线构成的薄膜的形貌进行了比较,选取其中形貌较好的一组进行了电化学性能测试并与氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃组装成电致变色器件。将形貌较好的花状纳米MnO2、MnO2纳米片、MnO2纳米线薄膜与WO3薄膜组成互补型电致变色器件,并对制备的电致变色器件进行了电致变色性能测试。本论文的研究成果如下:(1)以KMnO4作为原料,利用水热法与热处理制备的由花状纳米MnO2、MnO2纳米片构成的薄膜,并讨论了不同反应条件下的MnO2纳米结构形貌,研究结果表明:0.10 mol/L KMnO4前驱体溶液通过160℃水热9 h,200℃热处理3 h得到形貌完整、分散均匀、没有较大团聚现象产生的由花状纳米MnO2构成的薄膜,花状结构直径大小在400 nm左右;添加HCl后,使前驱体溶液呈酸性后,花状结构逐渐解体,得到由MnO2纳米片构成的薄膜。将制备的由花状纳米MnO2构成的薄膜与空白FTO导电玻璃组装成电致变色器件,在452 nm波长处,透过率调制幅度最大,约为37.0%,着色响应时间为13.3 s,褪色响应时间为18.4 s;将制备的由MnO2纳米片构成的薄膜与空白FTO导电玻璃组装成电致变色器件,在548 nm波长处,透过率调制幅度值最大,约为26.4%,着色响应时间为18.8 s,褪色响应时间为28.4 s。(2)以KMnO4、Mn SO4·H2O作为原料,利用水热法制备由MnO2纳米线构成的薄膜,并讨论了不同反应条件下MnO2纳米结构形貌,研究结果表明:0.35 g KMnO4和0.15 g Mn SO4·H2O溶于30 m L去离子水中,配制的前驱体溶液常压160℃水热12 h,80℃干燥30 min制备的MnO2薄膜,纳米线状形貌较为明显,纳米线分散均匀,纳米线直径为20 nm左右,长度在1μm左右。将制备的由MnO2纳米线构成的薄膜与空白FTO导电玻璃组装成电致变色器件,在551 nm波长处,透过率调制幅度值最大,约为25.1%,着色响应时间为12.7 s,褪色响应时间为23.2 s。(3)将水热法与热处理制备的由花状纳米、MnO2纳米片构成的薄膜与由水热法制备的MnO2纳米线构成的薄膜与电沉积法制备的WO3薄膜组装成互补型电致变色器件,研究结果表明:花状纳米MnO2/WO3互补型电致变色器件与单一花状纳米MnO2电致变色器件相比,具有更为优良的电化学性能。经过测试可知,花状纳米MnO2/WO3互补型电致变色器件的着色响应时间为2.5 s,褪色响应时间为3.0 s,光调制幅度的最大值为46.2%。MnO2纳米片/WO3互补型电致变色器件的着色响应时间为5.9 s,褪色响应时间为29.6 s,光调制幅度的最大值为42.7%。MnO2纳米线/WO3互补型电致变色器件比单一MnO2纳米线电致变色器件具有快速的响应时间以及更大的光调制幅度。MnO2纳米线/WO3互补型电致变色器件的着色响应时间为5.8 s,褪色响应时间为8.2 s,光调制幅度的最大值为38.3%。
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