噻吩类导电聚合物的制备、电色性质及其电致变色器件的研制

【摘要】： 电致变色(Electrochromism简写EC)现象是指材料在外加电场或电流作用下,其光吸收或光散射特性发生稳定的可逆变化的现象,在外观性能上则表现为颜色及透明度的可逆变化。电致变色材料被认为是目前最有应用前景的智能材料之一,开发具有优良性能的电致变色材料并制作成电致变色器件应用于社会生产生活是研究人员关注的热点。 自从20世纪70年代末成功合成导电聚乙炔以来,导电聚合物因其特殊的结构和优异的物理化学性能而成为材料科学的研究热点,并为电致变色效应的研究提供了新的电色材料。聚噻吩及其衍生物作为一类重要的电致变色材料具有环境热稳定性好,电导率高,易于制备等特点,因此用途更为广泛。通常导电聚合物是在有机溶剂中通过电化学或化学方法制备得到的。 离子液体由于具有独特、优异的物理性质和化学性质,近二十年来得到了广泛的应用。作为一类新型的“绿色溶剂”,离子液体与传统溶剂相比,具有蒸气压低、不易挥发、可循环利用、酸碱性可调以及良好的化学稳定性和热稳定性等良好性能,还是理想的电化学介质材料,能溶解很多有机物、无机物;同时离子液体具有优秀的导电性能和宽广的电位窗口(大于4V),因此,离子液体可望用作电化学聚合的良好介质。 本论文在“绿色溶剂”离子液体中制备并表征了不同的聚噻吩类衍生物电致变色薄膜,探讨了电致变色的机理,并且将聚噻吩类衍生物与金属氧化物纳米材料复合,改善了材料的性能。进一步将各类电致变色膜组装成为相应的电致变色器件。主要通过紫外可见光谱、计时电流、计时库仑以及计时吸收曲线等方法检测电致变色膜和器件的光谱电化学和电致变色性能。结果表明,制得的各电致变色膜和器件具有明显的颜色变化,较短的响应时间和理想的电致变色稳定性,在实际应用领域具有潜在的广阔前景。 第一章本章对电致变色现象、电致变色材料和电致变色器件研究领域的原理和发展情况作了详细的介绍和阐述。 第二章本章以室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM]PF_6)为溶剂及支持电解质,通过电化学方法制备聚(3-己基噻吩)(PHexT)膜。采用扫描电子显微镜(SEM),红外光谱(FT-IR)对膜的形貌结构进行表征。同时通过紫外可见光谱、计时电流、计时库仑以及计时吸收曲线等方法研究聚合物膜的光谱电化学和电致变色特性,并在此基础上制备PHexT膜的电致变色器件。实验结果表明,在离子液体中制备的PHexT膜光滑致密,完全氧化时呈蓝色,完全还原后为橘红色,具有高的颜色对比度(40%),较短的响应时间(2.5 s)和高的电致变色着色效率(230 cm~2C~(-1))。该膜制成的固态电致变色器件(ECD)也具有很好的电致变色性能和长的循环寿命。 第三章本章以室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM]PF_6)为溶剂和支持电解质,在纳米TiO_2表面通过恒电流法制备聚(3-氯噻吩)(PC1T)膜。通过紫外可见光谱、计时电流、计时库仑以及计时吸收曲线等方法研究复合膜的光谱电化学和电致变色特性。实验结果表明,该PC1T/TiO_2纳米复合膜的能带宽为1.80 eV,并且在还原态呈枣红色,氧化态呈蓝黑色。PC1T/TiO_2纳米复合膜的电致变色对比度在555 nm和770 nm处分别达到12%和25%。同时,利用该膜组装成为电致变色器件(ECD),并研究了该器件的电致变色性能。 第四章本章运用真空镀膜法蒸镀制备了银(Ag)纳米薄膜,采用扫描电子显微镜(SEM)和紫外可见光谱对Ag纳米薄膜进行表征。并将Ag纳米薄膜与在三氧化钨溶胶中恒电位电镀得到的三氧化钨(WO_3)无机电致变色膜相复合,制备了一种新型的纳米复合电致变色材料。通过紫外-可见吸收光谱、计时电流等方法研究该纳米复合膜的光谱电化学和电致变色性能,并在此基础上制备五层式玻璃/ITO/纳米Ag-WO_3复合膜/固态电解质/聚(3-甲基噻吩)/ITO/玻璃电致变色器件。实验结果表明,纳米Ag/WO_3电致变色复合膜在0.8 V下为无色,随着电压减小颜色变蓝,到-1.0 V时可逆地变为深蓝色,具有高的颜色对比度,较短的响应时间和良好的电致变色稳定性。固态电致变色器件也具有较好的电致变色性能和稳定性。