【摘 要】
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在所有的无机电致变色材料中,WO3是一种性能优秀的,已被广泛研究的过渡族金属化合物无机电致变色材料。但是其电致变色性能还是存在着色时间较长,离子扩散速率较慢、循环稳定性较差的缺点。将离子传输性能优异、比表面积大、具备空间网络结构的碳纳米管掺杂在WO3中,可以解决WO3离子传输能力较差、薄膜结构稳定性和电化学循环稳定性较差的问题,发挥出两种材料各自的优点,提高复合变色薄膜器件的响应速度、着色效率、电
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在所有的无机电致变色材料中,WO3是一种性能优秀的,已被广泛研究的过渡族金属化合物无机电致变色材料。但是其电致变色性能还是存在着色时间较长,离子扩散速率较慢、循环稳定性较差的缺点。将离子传输性能优异、比表面积大、具备空间网络结构的碳纳米管掺杂在WO3中,可以解决WO3离子传输能力较差、薄膜结构稳定性和电化学循环稳定性较差的问题,发挥出两种材料各自的优点,提高复合变色薄膜器件的响应速度、着色效率、电容、循环稳定性等电致变色性能。本文通过对WO3-CNT复合薄膜制备的工艺条件进行优选,并对优选条件下制备的WO3-CNT复合电致变色器件进行性能探究。首先,本文通过溶液加工的方法制备了WO3-CNT复合电致变色薄膜,探究复合薄膜制备的优选工艺条件,研究结果为:(1)退火温度为150℃左右的WO3-CNT复合电致变色薄膜具有良好的性能,除尽有机溶剂的同时保留溶剂脱出薄膜留下的孔隙,并避免WO3结晶导致氧化还原能力降低。复合薄膜的光调制幅度达到66.95%。(2)合理的复合薄膜厚度范围大约控制在200 nm-350 nm之间,可以兼顾40%以上的良好光调制能力和20 s以内较短的响应时间。(3)CNT掺杂为WO3薄膜的疏松多孔结构引入了空间网络结构作为支撑,较大的比表面积也有增大后续复合器件不同结构层之间接触,改良器件性能的潜力。但掺杂比例高于7:3后会导致复合薄膜光调制能力出现20%以上的下滑。然后,本文对优选温度和薄膜厚度范围的薄膜进行器件层面研究,探究CNT掺杂比例对WO3-CNT复合电致变色器件综合性能的影响。研究结果为:(1)复合器件着色响应速度和着色效率均随CNT掺杂比例单调递增,碳纳米管的掺杂可以为WO3薄膜提供密集的离子通道,增强薄膜的离子输运能力,碳纳米管还具有较大的比表面积,有效增大了薄膜表面与电解质和导电层的接触面积。在CNT掺杂比例达到8:2后,着色响应时间小于3.54 s,着色响应时间相较于无掺杂器件缩短了80%。复合器件着色效率达到66.86 cm~2/C,着色效率相较于无掺杂器件提高了150%。(2)100次循环后,复合器件氧化峰值电流下降幅度随CNT掺杂比例的升高呈现先减后增趋势,而比电容呈现先增后减趋势。碳纳米管的空间网络结构为薄膜表面有利于电致变色反应进行的孔隙提供结构支撑作用,并能有效容纳离子注入和抽出对薄膜带来的体积变化和损伤,使得复合薄膜的疏松多孔结构更加稳定,可以容纳更大量、更多次的离子的注入和抽出。但过量的CNT掺杂也会使得WO3在复合薄膜中相对含量下降,对薄膜结构的稳定性存在负面影响。掺杂比例为8:2的复合器件具有最优的循环稳定性能和良好的电容性能,100次循环后氧化峰值电流密度下降幅度最小,仅为0.0547 mA/cm~2,复合器件比电容达到810μF/cm~2。综合考虑,本文研究中最优CNT掺杂比例为8:2。最后,WO3-CNT复合电致变色器件的CV曲线中呈现出一定的电容特性和电池特性,器件氧化还原反应的启动更加快速彻底并且稳定,同时具备一定的防击穿能力。这对未来WO3电致变色器件的新型研究具有一定的研究价值。
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