低维纳米尺度无机/有机杂化薄膜的控制生长与电致变色性能研究

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电致变色材料是一种可以通过施加低电压信号(<5 V)来对材料的光学吸收、透过或者反射性能实现可逆调制的功能材料,在智能显示、节能窗、防眩镜以及主动隐身技术等领域具有重要的实际应用价值和理论研究意义。电致变色材料通常可分为有机电致变色材料和无机电致变色材料,两类材料各有优缺点。在本论文中,作者通过水热合成、磁控溅射与原位电聚合相结合的实验手段在纳米尺度合成了共轭导电聚合物聚(3,4乙烯二氧噻吩)(PEDOT)/氧化石墨烯(GO)纳米结构、氧化钨纳米结构、聚(3,4乙烯二氧噻吩)/氧化钨(WO3)有机/无机纳米杂化结构,并对所获得材料的形貌、微观结构、表面化学状态和电致变色性能进行了系统研究和比较分析,主要研究结果如下:(1)在论文第三章讲述了采用一步聚合法且不添加表面活性剂的前提下在氧化石墨烯表面合成了尺寸在15-20 nm左右并且具有良好分散性的PEDOT纳米颗粒,获得了PEDOT/GO杂化纳米材料。系统研究了PEDOT/GO杂化纳米材料的制备参数与微观形貌、表面化学状态以及电致变色性能之间的关系。实验结果表明经过氧化石墨烯杂化后的PEDOT/GO薄膜具有极快的响应速度(着色:300 ms,褪色:400 ms),较高的对比度(31.4%)、较好的着色效率64.9 cm2C-1以及明显优于PEDOT的循环稳定性。在氧化石墨烯片表面均匀分布的PEDOT纳米颗粒发挥了PEDOT导电效率高的特性从而保证了电子的快速注入脱出,氧化石墨烯则充当缓冲层和基底保护了PEDOT颗粒在氧化还原过程中的体积变化,从而显著提高了材料的循环稳定性,同时提供了较大的比表面积作为电化学反应场所。(2)在论文第四章讲述了分别采用磁控溅射法和溶剂热法制备了岛状WO3电致变色薄膜,WO3纳米砖阵列电致变色薄膜以及WO3纳米棒树状等级阵列电致变色薄膜,并优化了工艺参数。作者对这三种WO3电致变色薄膜在微观形貌与电致变色性能方面进行了对比研究。作者采用磁控溅射法所获得的岛状非晶WO3电致变色薄膜在633 nm处的透过率调制幅度达到94.5%,着色时间为7.4 s,褪色时间为10.6 s,在1-1.5 um的近红外窗口具有50%-90%的光学调制幅度和良好的循环稳定性。另外作者在不需要引入子晶的前提下采用一步溶剂热法控制合成了WO3纳米砖薄膜和树状WO3纳米棒分级阵列薄膜。其中WO3纳米砖薄膜的光学对比度为34.1%,着色时间5.2 s,褪色时间1.6 s;树状WO3纳米棒分级阵列薄膜的光学对比度为80.1%,着色时间12.4 s,褪色时间为7.6 s。作者以循环稳定性最佳的树状WO3纳米棒分级阵列薄膜作为电致变色器件的变色层,化学浴法制备的NiO薄膜作为离子存储层,含Li+聚合物作为电解质层成功组装了全固态电致变色纳米器件。(3)由于WO3和PEDOT同属于阴极着色材料,采取将两者杂化生长的策略有希望实现性能上的优势互补。在本论文第五章讲述了所制备的树状WO3纳米棒分级阵列的基础上构筑了一维WO3/PEDOT核壳杂化纳米结构,通过原位电聚合方法将多孔PEDOT纳米薄层(厚度约<10 nm)均匀包裹在WO3纳米棒上,材料的响应时间(着色:4 s,褪色:2.2 s)、着色效率(79.6 cm2C-1)和光学调制范围(在633 nm下53%)都获得了显著的提升。进一步的机理研究表明,PEDOT的多孔薄壳层与WO3纳米棒之间的有机/无机杂化生长提供了有效的界面相互作用和丰富的离子嵌入渠道;除此之外,这种一维核壳结构具有较大的活性比表面积、减小了晶界面积并且提供了直接的电子传输通道从而增强了电子的传输能力,进而使得材料的电致变色特性得到显著提升。
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