基于聚苯胺与五氧化二钒电致多变色器件的设计、制备及其性能研究

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电致变色是指器件在施加较小电压状态下,其光学属性发生可逆持久变化的现象。电致变色器件在电子标签、低耗能显示器和电子纸等显示领域具有广泛的应用前景。相比其他显示器,电致变色显示器件具有无视野盲角,驱动电压低,提高眼睛的舒适度等优点,但目前电致变色器件存在颜色变化单一、变色速度慢等问题,严重制约其在显示领域的发展。在多变色电致变色材料中,聚苯胺(PANI)和五氧化二钒(V2O5)是典型的有机和无机多变色材料。但是这两种材料在电致变色过程中出现光学调制小、变色速度慢以及循环稳定性差等问题,通过构筑纳米结构的复合材料是实现高性能电致变色薄膜的重要途径。本论文分别基于PANI和V2O5构筑了具有多变色的纳米复合材料,利用复合材料协同效应,改善活性材料的电致变色性能。通过对复合材料进行形貌的调控,提高复合材料的比表面积,增加材料有效活性位点,缩短离子传输距离等,达到提高材料的光学调制范围,颜色转变速度,着色效率等目的。此外,组装了基于复合薄膜的电致变色器件,并对电致变色器件的电致变色性能进行了研究。(1)多变色TiO2/PANI复合薄膜与器件。采用水热法制备尺寸均一的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒,通过静电喷涂(Electrostatic spray deposition,ESD)的方法在氟掺杂的氧化锡导电玻璃(FTO)基底上制备Ti O2层作为电子受体,然后通过电聚合的方法在喷涂Ti O2纳米颗粒和导电基底上原位生长PANI,为形成导电基体和电子供体-受体(D-A)结构提供了一种合理的途径。所制备的Ti O2/PANI复合材料形成独特的D-A结构,有助于电子的传输。同时,Ti O2纳米层可以有效调控PANI的形貌,它们由相互连接的纳米突起组成,所形成的复合薄膜具有类海胆状结构,此结构可以增大离子传输速率,提高材料的比表面积,增加材料的有效活性位点。与纯PANI薄膜对比,所制备的Ti O2/PANI复合薄膜在电致变色和储能方面都具有优异的性能,其中,光学调制在600 nm处高达76.9%,着色时间为3.3 s,褪色时间为3.6 s,着色效率可以达到78 cm~2 C-1;当电流密度为0.05 m A cm-2时,复合薄膜的面电容为6.98 m F cm-2。以复合薄膜作为电致变色层,FTO作为离子储存层,0.1 M H2SO4/PVA凝胶为离子导电层组装半固态大面积(10 cm×10 cm)电致变色储能器件。并对器件进行电化学和电致变色性能的测试,其中着色时间为6.6 s,褪色时间为1.7 s,着色效率可以达到79 cm~2 C-1。根据PANI的多变色和储能特性,Ti O2/PANI复合薄膜可用于储能指示器,在充放电过程中,通过器件在氧化还原过程中从浅灰色,浅绿色,深绿色到紫色的变化,来直观的表示器件能量存储的不同程度。而且,通过ESD和电聚合结合的方法可以实现薄膜和器件的大面积和图案化的可控制备。(2)多变色V2O5/MXene复合薄膜与器件。采用水热法制备出V2O5凝胶,稀释后和MXene溶液超声混合,通过ESD的方法在FTO基底上喷涂了V2O5/MXene复合材料,制备出V2O5/MXene复合薄膜。通过引入具有高导电性的二维材料MXene,不仅增加复合薄膜的导电性,提高电子的传输速率,而且提高了V2O5的比表面积,有效增加材料活性位点,与纯V2O5薄膜相比,所制备的V2O5/MXene复合薄膜具有优异的电致变色性能。利用Li Cl O4/PC/PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)凝胶作为电解液,在三电极体系中进行电化学和电致变色性能测试,其中光学调制在650 nm处达到35%,着色时间为11.9s,褪色时间为4.0 s,着色效率为19 cm~2 C-1。通过ESD的方法可以实现薄膜的大面积和图案化的可控制备,为多变色大面积电致变色器件提供了新思路。以V2O5/MXene复合薄膜和Ti O2/PANI复合薄膜作为两极,Li Cl O4/PC/PMMA凝胶为离子导电层组装半固态互补型电致变色器件,并对器件进行了电化学和电致变色性能的测试。其中光学调制在650 nm处达到51%,着色,褪色时间分别为2.4 s和7.2 s,着色效率为111 cm~2 C-1。当电流密度为0.02 m A cm-2时,得到复合薄膜的面电容为3.15 m F cm-2。基于两种薄膜的制备方法,为实现大面积和图案化器件的制备提供了技术和方法。
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