长循环寿命纳米氧化钨电致变色膜的制备及其性能研究

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电致变色材料在外加电场作用下,其光学属性(吸收率和反射率等)能够发生可逆变化,在汽车防眩目后视镜、智能窗和军事伪装等领域具有广泛的应用前景。在电致变色材料中,纳米WO3膜具有快响应速度、高光学对比度和高着色效率的优点,被人们广泛研究,但纳米WO3膜的结构稳定性不足,导致其电致变色循环寿命短,阻碍了其应用。因此,制备长循环寿命的纳米WO3电致变色膜具有重要意义。本论文通过聚多巴胺(PDA)和稀土钐(Sm)来增强水热法所得纳米WO3膜的结构稳定性,最终得到长循环寿命的纳米WO3电致变色膜。具体研究内容如下:(1)针对目前一步水热法所得到的纳米WO3膜与ITO电极间结合强度不高,而造成其电致变色循环寿命不足的问题。本研究首先在ITO玻璃电极上修饰一层PDA,再利用一步水热法在PDA上沉积纳米WO3膜,最终获得PDA/纳米WO3杂化膜,并对其化学组成、微结构、电化学性能以及电致变色性能进行表征和测试。研究发现,低温一步水热法可制备树枝状纳米WO3膜,PDA膜增强了ITO玻璃电极与纳米WO3膜之间的结合强度,从而提高了其电致变色循环寿命;其中,水热法2 h制备的PDA/纳米WO3电致变色杂化膜循环5000次后,仍能保留其初始光学对比度的90.8%。(2)针对一步水热法所得纳米WO3膜本征结构稳定性不高,而造成其电致变色循环寿命不足的问题。本研究利用一步水热法在纳米WO3的反应体系中加入稀土金属Sm3+,制备得到了Sm3+掺杂纳米WO3膜,并对其化学组成、微结构、电化学性能以及电致变色性能进行表征和测试。研究发现,Sm3+的掺杂能使水热法所得纳米WO3膜的微结构从树枝状转变成巢状多孔结构,巢状Sm3+掺杂纳米WO3膜的结构稳定性高于树枝状纳米WO3膜的结构稳定性。因此,Sm3+的掺杂提高了纳米WO3膜的电致变色循环寿命;其中,水热反应体系中Sm与W摩尔比为1:25时,所得Sm3+掺杂纳米WO3(纳米WO3-4%Sm)膜的电致变色循环寿命最长,其电致变色循环10000次后,仍能保留初始光学对比度的73.6%。(3)前一个研究工作发现,纳米WO3-4%Sm膜在锂盐电解质中的光学对比度、响应速度和着色效率不足,而在H+电解质中具有高光学对比度、快响应速度和高着色效率,但其电致变色循环寿命却不高。针对上述矛盾,本研究在纳米WO3-4%Sm膜表面修饰一层PDA膜,制备纳米WO3-4%Sm/PDA杂化膜,并对其化学组成、微结构、电化学性能以及电致变色性能进行表征和测试。研究发现,兼具强粘结性和抗腐蚀性的PDA能够有效增强纳米WO3-4%Sm膜在H+电解质中的电化学结构稳定性,从而提高其电致变色循环寿命。其中,纳米WO3-4%Sm/PDA-1 h杂化膜具有最长的循环寿命,其电致变色循环5000次后,仍能保留初始光学对比度的89.9%;此外,纳米WO3-4%Sm/PDA-1 h杂化膜在633 nm波长处的光学对比度高达68.4%,着色效率高达79.1 cm~2/C。
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