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基于NiO和WO_3的电致变色薄膜和器件的制备及探索

周鋆玲  
【摘要】:电致变色材料是一种在外界电刺激下可以发生稳定可逆的颜色变化,同时具有光学调制能力的一种智能材料。以电致变色材料为核心层,匹配相应的电解质层和对电极层组装可以得到三明治结构的电致变色器件,它可以应用于建筑等的装配窗(也称智能窗)、显示器以及变色眼镜等领域。目前,受限于变色材料的高的制备成本、不足的光学调制率、慢的变色速度和差的循环寿命等短板,电致变色器件还未达到真正的大范围的商业化应用。在红外区具有优异光学调制作用的三氧化钨(W03)电致变色材料在绿色智能节能窗领域非常有应用前景,而氧化镍NiO也是一种研究历史悠久的与W03互补的对电极材料。本论文将以NiO和W03电致变色材料为主要研究对象,围绕提高其电致变色性能和循环稳定性的目标,利用低成本、易操作的湿化学法进行材料制备,采用离子掺杂、表面修饰和纳米化等方法对材料进行改性,并探索了材料种类、状态等组装参数对电致变色器件性能的影响,优化器件性能。具体研究内容包括:NiO对电极的性能改善:利用溶胶法制备NiO薄膜,通过Li和Ti离子单元和二元掺杂对其进行改性,大幅提高了NiO薄膜的光学调制率和循环稳定性,尤其是Li-Ti共掺杂的NiO薄膜在锂盐有机电解液循环中表现出超过13000次的优异的循环寿命,是纯NiO循环寿命的十余倍。随后,我们利用表面活性剂修饰的方法,来提高Li-Ti-NiO薄膜的变色速度,分别采用阴离子的十二烷基三甲基磺酸钠(SDS)、阳离子十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)以及中性表面活性剂聚乙二醇(PEG-1000)对Li-Ti-NiO薄膜进行修饰,均表现出加快的响应速度。W03电致变色性能的提高:利用水热法制备W03薄膜,结合纳米化和离子掺杂的方法对W03薄膜进行改性,分别掺杂不同浓度的Ni离子,得到W03纳米线、纳米棒/分枝和纳米花薄膜,一维(1D)垂直排列的纳米棒结构为W03薄膜变色过程中离子的插入/抽出提供了更便利的空间和更大的活性面积,有利于降低材料的内阻,提高材料的光学调制率和循环稳定性,并获得了在近红外区光学调制率超过85%,循环寿命约5500次的Ni-WO3薄膜。电致变色器件的性能优化:以基于NiO的薄膜为对电极,分别与高分子聚噻吩衍生物、非晶的W03和晶态的Ni-WO3薄膜组装器件,通过改变电致变色层、对电极层、电解质的种类以及对电极组装状态,研究电致变色器件与材料之间的相互关系,分析器件性能和稳定性的影响因素,优化器件组装参数,改善器件的性能。本文通过对电致变色材料NiO和WO3的性能改善,及器件组装参数的优化,分别获得了在可见区、近红外区和全波段具有良好光学调制作用的电致变色器件,制备的电致变色器件实现了快的速度响应(1 s)、高光学调制率(56%)和优异循环寿命(超过100万次),达到了实用价值。初步扩大了器件的尺寸,得到色彩均匀的10 cm×10 cm的电致变色器件。本文的研究为电致变色材料和器件的性能改善及尺寸扩大提供了重要的参考价值。


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