纳米氧化钨制备及其电致变色性能研究

纳米氧化钨制备及其电致变色性能测试纳米氧化钨制备及其电致变色性能测试 引言引言 信息传递在快速发展的现代社会中具有举足轻重的地位 除了电子通讯之 外 显示功能也是信息传递的重要组成部分 电致变色材料正是一种广泛应用 于信息 电子 能源 建筑和国防等方面 有着广阔应用前景的显示功能材料 电致变色材料还可以利用其透过率可控 记忆效应 反应速度快的性能制成智 能窗户 防眩晕后视镜及能源节约器件 应用前景十分广泛 电致变色 eletrochromism 是指材料在交替的高低或正负外电场的作用下 通过注入或抽取电荷 离子或电子 从而在低透射率的着色状态或高透射率 的消色状态之间产生可逆变化的一种特殊现象 在外观性能上则表现为颜色及 透明度的可逆变化 主流的电致变色材料分为三大类 包括无机类材料 有机 小分子材料以及共轭聚合物 无机材料主要是金属氧化物 包括阴极着色材料 如 V Mo W Nb Ti 的氧化物 和阳极着色材料 如普鲁士蓝 Ni Co Ir 的氧化物 有机小分子材料主要为紫罗碱 共轭聚合物电致变色 材料包括聚噻吩 聚吡咯 聚苯胺等 WO3是无机类电致变色材料中科学家研究最早最深入 成果最丰富的材料 由于电致变色材料的透过率可在较大波长范围内连续变化 调节 工作电压低 功耗较低 节能环保 具有记忆存储功能 并且在使用中受环境因素的影响较 小 这些优势使得电致变色材料逐渐成为建筑 汽车行业中越发灿烂的一颗闪 亮明珠 但有关 WO3薄膜着色与消色的机理现在仍然不明确 目前 认知程度最高 接受最多的为双注入 双抽出模型 图 1 三氧化钨晶体结构示意图 三氧化钨晶体结构模型图如图 1 所示 钨原子位于着晶格顶点处 氧原子 位于晶格棱中间位置 通常情况下 立方体中心原子 A 的位置没有原子占据 此时钨呈现 6 价 三氧化钨薄膜呈现无色 当立方体中心 A 位置被阳离子填充 的时候 钨原子的价态降低 变为六价与五价的混合体系 此时 WO3薄层转变 为蓝紫色 其中填充 A 位置的阳离子一般为 H Li Na 等 三氧化钨薄膜的 着色过程为阳离子注入过程 消色过程为阳离子抽出过程 因此薄膜的着色消 色速率与阳离子的注入抽出速率有关 而阳离子的注入抽出速率与外加电压 电致变色溶液 薄膜自身微结构和形貌等性质有关 实验目的实验目的 1 了解电致变色应用领域与发展前景 2 了解电致变色原理与相关参数的意义与测试方法 3 了解电化学工作站的使用方法 学习三电极测试原件组装 4 学习电致变色测试中阶跃电压 循环伏安模式测量与数据处理 电致变色材料的发展电致变色材料的发展 理想的电致变色材料一般应具有响应时间短 着色效率高 对比度大 色 彩丰富 稳定性好 离子导电性和电子导电性高等特点 遗憾的是目前为止没 有文献报道哪一种有机或是无机电致变色材料具有这样的完美性质 因此 近 些年来电致变色材料研究主要集中在以下几个方面 1 有机新材料的合成 有机电致变色材料的最大特点之一就是具有分子 可修饰性 通过分子取代或者掺杂等方式获得具有高着色效率 快速响应时间 和丰富色彩等优秀性能的新型有机电致变色材料 有机电致变色材料合成的技 术手段通常为化学方法和电化学沉积方法 化学方法合成有机电致变色材料比 较困难 因为合成条件要求高 周期长 合成路线复杂 污染大等 电沉积的 方式虽然容易实现 工艺灵活 制备时间短 但是该技术存在电压和电流稳定 性差 制备的材料均匀性低 需要导电材料做基底等问题 2 新型无机电致变色材料 无机电致变色材料以过渡金属氧化物为主 合成新型分子结构 具有氧化还原性的金属氧化物困难较大 所以获得新型无 机电致变色材料的方法主要是掺杂 一种研究是通过对纯净的金属氧化物进行 单质掺杂去提升薄膜的稳定性 着色效率等电致变色性能 已经有文献报道的 掺杂的单质例如 Al Au Ni Mg N 等 另一种常见方式是对无机氧化物 进行化合物或者有机物的掺杂 近几年有很多文献中以化学 磁控溅射 电子 束 电化学沉积 热蒸发 喷雾热解等方式获得金属氧化物掺杂的电致变色薄 膜 比如 WO3 Ti O2 之间掺杂后 相比于单纯的三氧化钨材料 WO3 TiO2稳 定性和对比度等电致变色特性均有提升 3 纳米结构的电致变色材料 提升薄膜或者器件的电致变色性能除了合 成新型高效的电致变色材料外 另一种研究主要集中在纳米结构材料的研究上 因为相比于传统材料 纳米材料一方面具有较高的比表面积 有利于提升材料 电致变色的对比度和着色效率 另一方面纳米材料具有优异的孔隙结构 利于 电解质中的离子进出 从而降低器件的响应时间 获得纳米结构的常见方法有 利用多孔阳极氧化铝为模板 获得纳米柱状电致变色薄膜 利用化学方法获得 纳米线 纳米孔 纳米纤维等形貌的薄膜 利用蒸镀方式获得纳米结构的薄膜 等等 实验原理实验原理 电致变色器件的标准结构是一种三明治结构 如图2所示 基底 电极 电致 变色层 电解质层 离子存储层 电极 基底 1 电致变色层是 ECD 的核心 也是多数文献研究的重点 其制备方法 有 磁控溅射 电子束蒸镀 旋涂 印刷 电化学沉积等 电致变色层通常由 一种电致变色材料构成 根据朗伯 比尔定律 如下 式中每个字母代表的物理意义是 A 吸光度 I0 入射光强度 I 出射光强 度 k 光吸收比例系数 c 样品浓度 d 光程 其他条件一定的情况下 薄膜的 厚度越厚 薄膜的着色深度 褪色强度 越高 所以很多文献为了获得较高的 对比度 一般会采用几百纳米甚至十几微米厚的电致变色层 但是带来的问题是 薄膜着色响应时间 尤其是褪色响应时间就会变慢 因为电子和离子在薄膜内 的运动距离相应变长 图2 2 电解质层通常由电解质溶解到相关溶剂中组成 如 LiClO4 PC H2SO4水 溶液 BMIM PF6水溶液 NaCl水溶液等 其中LiClO4 PC是实验研究中最常用 的电解质 这是因为电解质必须是离子的良导体 电子的绝缘体 与电致变色 层相兼容 并且阳离子半径要绝对小 方便其在电致变色层内进出 利于器件 获得较快的变色速度 对于透射型的电致变色器件 电解质层应具有较高的光 透过率 电解质层有液体 固体和准固体三种 常用的是液体和准固体两种 因为 纯固体电解质的离子导电率十分低 满足不了实用产品对响应时间的最低需求 如电致变色窗 液体电解质相对于固体电解质有更快的离子导电率 更快的响 应时间 但是离子液体多为有机溶剂 一般存在漏液 污染等潜在安全危险 关于准固体电解质近几年研究较多 它是介于液体和固体之间的一种状态 常 见的方法是将一些导电聚合物掺杂到液体电解质中构成溶胶凝胶电解质 如嵌 段共聚物表面活性剂的 PEO PPO PEO LiClO4 PC 聚甲基丙烯酸甲酯的 PMMA LiClO4 PC HV BF4 2 TBABF4 PC 离子液体等 溶胶凝胶电解质的优 点在于其离子导电率通常高于液体电解质 具有粘附性 可以降低器件损毁时 玻璃等物质飞溅造成的伤害 3 离子存储层是在器件工作时候存储与变色层相反的粒子 起到平衡电 荷 的作用 理想的离子存储层应具有较高的电子和离子传输能力 良好的氧化还 原 能力 以增加器件的使用寿命 离子存储层材料可以与电致变色层材料一样 也 可以是与之变色性质相反 称之为互补器件 以变色层为WO3材料为例 其对 电极可以用WO3 也可以是氧化镍 NiO 聚乙撑二氧噻吩 PEDOT 聚苯胺 PANI 普鲁士蓝 PB 或者是二氧化钛 TiO2 有机材料等 实验内容实验内容 1 电致变色器件 电解池 电化学工作站连接 测试采用三电极法 将电致变色器件 电解池与电化学工作站连接 三电 极分别为工作电极 与电致变色器件相连 对电极 铂电极或石墨电极 参 比电极 甘汞电极 电解液采用高氯酸锂的聚甲基丙烯酸甲酯溶液 2 电致变色现象观察 电致变色器件变色层采用离心成膜的方式 将三氧化钨纳米花球分散在乙 醇溶液中 量取 10ml 混合液于 30ml 离心管中 将边长 2cm 的 FTO 导电玻璃 置入 30ml 离心管底部 将导电一侧面向离心机圆心位置固定置于离心机内 8000 10000r min 离心 1min 将玻璃片取出阴干 即可得到沉积在 FTO 导电玻 璃上的三氧化钨变色层 测试变色过程采用三电极体系 利用电化学工作站完成数据记录 电致变 色溶液采用将高氯酸锂溶解于 PC 溶液中 获得锂离子浓度 1mol L 的电致变色 溶液 高氯酸锂的 PC 溶液 着色电压为 0 8V 消色电压为 0 8V 实验采用循 环伏安法测试三氧化钨电致变色器件的着色消色情况 透过率 对比度等参数 采用阶跃电压法测试器件着色消色时间 通过电化学工作站施加负压 使变色层着色 施加正压 使电致变色层褪 色 观察电致变色器件的变色现象 结合电致变色机理熟悉在变色过程中发生 的物理化学过程 加深对电致变色的了解 3 循环伏安测试与阶跃电压测试 通过电化学工作站的循环伏安模式和阶跃电压模式 在三氧化钨电致变色 器件上施加满足特定关系的电压电流 获得相应的曲线 了解电致变色性能测 试方法与计算过程 实验数据实验数据 电致变色实物图 图 3 三氧化钨纳米花球电致变色器件效果图 a 和 d 为组装膜原始态 b 和 e 为组装膜着色态 c 和 f 组装膜褪色态 如图 3 三氧化钨变色层着色与消色效果实物图 分别为溶液中变色效果 图中上部分 与取出后 图中下部分 效果 从图中可以看到 离心得到的 三氧化钨纳米花球组装膜电致变色层原始状态透过率很高 说明氧化钨纳米花 球组装膜厚度很薄 变色后色彩分布均匀 说明离心获得的薄膜非常均匀 薄 膜着色态为深蓝色 无论是在电致变色溶液中还是取出后与消色态对比度均明 显 在电致变色溶液中消色态与变色前颜色较为接近 褪色较为完全 从溶液 中取出后 由于 PC 溶液粘度较大 干燥时易损坏变色层 所以效果有所下降 但是原有的着色与消色状态仍然保存的较为完好 图 4 电致变色阶跃电压曲线与循环伏安曲线 响应时间 是衡量变色快慢的重要指标 其定义是 透过率变化 90 所需要的时间 测试方法是利用计时电流法对工作电极施加阶跃电压 同时用 光谱仪监测透过率的变化情况 计时电流曲线一般表示薄膜对电压的响应速度 因为在电压作用下 注入薄膜内的载流子速率逐渐降低 薄膜与溶液界面处阳 离子浓度会逐渐降低 响应电流曲线的纵坐标逐渐趋于零 曲线的趋近 x 轴速 度越快代表薄膜的电流响应速度越高 循环伏安方法是研究电致变色现象的最常用手段之一 从循环伏安曲线 CV 上一般可以判断物质的氧化还原特性 根据氧化还原峰对的个数可以判 断物质发生氧化还原变色的次数 判断物质是单色变色还是多色变色 通过循 环伏安曲线中最大的氧化峰电压和还原峰电压的值去设定材料的最佳电致变色 范围 防止过大电压造成材料的损坏和过低电压未能很好体现材料的电致变色 性能 图 4 左为三氧化钨纳米花球组装膜电致变色器件循环伏安和阶跃电压测试 曲线 在循环伏安测试中 当电压从起始 0V 电压向负压增加时 变色开始 随着锂离子的不断注入 沉积有氧化钨纳米花球的玻璃片的颜色由无色开始变 为浅蓝色 并随电压的增加逐渐加深 并最终变为深蓝色 LixWO3 着色过 程主要发生如下化学反应 3x3 WO xLi xeLi WO 当电压回到 0V 向正压增加时 消色开始 氧化钨纳米花球组装膜颜色变 浅 并最终变为无色状态 此时发生阳离子抽出过程 消色过程主要发生式 4 1 的逆反应 由于锂离子注入后无法完全从薄膜中抽出 因此电致变色的消色状 态无法回复到初始态的透明度 会有颜色的残留 在阶跃电压测试中 阶跃电压设为 0 8V 0 8V 当电压为 0 8V 时 变色 开始 氧化钨纳米花球组装膜颜色迅速变蓝 变色的响应时间在 2s 左右 当电 压切换到 0 8V 时 消色开始 玻璃片迅速由蓝色变为无色 消色时间在也在 2s 左右 在多次循环伏安法测试中曲线各处变化量微小 仅仅在消色边发生少 量偏移 在阶跃电压测试中 曲线的形状十分相似 各个峰数值无明显变化