【摘 要】
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WO3是目前研究最为广泛的无机电致变色材料,通常被用来制备电致变色器件的核心电极层。其在外加电压作用下会发生电子和离子的双重注入/抽出从而产生颜色的变化。然而其有限的离子容量和电子电导率,极大地限制了WO3电化学性能的进一步提升和应用。设计和构建纳米结构是一种常见的材料改性手段,可以有效地增加材料表面与电解液之间的接触面积并提供更多的离子插入活性点位,从而提升材料的电化学性能。另一方面,随着现代社
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WO3是目前研究最为广泛的无机电致变色材料,通常被用来制备电致变色器件的核心电极层。其在外加电压作用下会发生电子和离子的双重注入/抽出从而产生颜色的变化。然而其有限的离子容量和电子电导率,极大地限制了WO3电化学性能的进一步提升和应用。设计和构建纳米结构是一种常见的材料改性手段,可以有效地增加材料表面与电解液之间的接触面积并提供更多的离子插入活性点位,从而提升材料的电化学性能。另一方面,随着现代社会能源消耗日益增加,环境污染愈发严重,新型储能器件的开发在近年来逐渐引起关注。赝电容器件是最常用的电化学储能器件,其与电致变色器件有着相似的器件结构、活性材料和工作机理,因此可以将二者有机结合并开发新型双功能集成器件。这种集成器件既可以用作储能装置,也可以根据颜色变化随时监测其能量存储状态。本论文重点研究WO3纳米结构的制备与性能以及其在电致变色储能器件中的应用,旨在通过优化电极材料性能和器件结构,制备出高性能的电致变色储能器件。主要研究内容与结果如下:(1)基于磁控溅射技术的WO3纳米结构薄膜制备及其电致变色性能研究。本研究首先采用Ag靶和W靶共溅射技术在掺铟氧化锡(ITO)玻璃基板上制备WO3纳米颗粒种子层。之后,利用在W靶上放置Gd片在种子层上溅射生长出Gd掺杂的WO3纳米线薄膜。在0.49 at.%的Gd掺杂浓度下获得了最佳质量的WO3纳米线薄膜。与纯WO3薄膜相比,该纳米线薄膜在633 nm处表现出增强的光学调制(ΔT=52.7%)、高着色效率(87.3 cm~2 C-1)、高扩散系数(95.2×10-11 cm~2/s)和优异的循环稳定性(1000次循环后电容保持率为87.4%)。此外,WO3纳米线薄膜表现出优异的电荷存储能力,在0.4 m A的恒电流充放电下其最大面积电容为8.44 m F cm-2。通过薄膜结构表征和电化学测试分析可知,其性能的提升归因于WO3纳米线薄膜比表面积的增加减少了离子扩散距离,以及纳米结构保证了与电解液的充分接触。(2)电致变色能量存储器件的设计与制备。本研究采用磁控溅射法制备了Ni O薄膜作为对电极,使用1 mol/L的Li Cl O4/PC溶液作为电解质,通过封装技术获得具有高电荷存储能力的电致变色储能器件。器件充电时从透明态逐渐变为深蓝色,在放电过程中又从深蓝色逐渐变为透明态。此器件能为LED持续供电,可以通过肉眼观察器件的颜色变化便捷地评估其能量存储状态。
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