三氧化钨基无机电致变色薄膜材料设计、制备与性能研究

发布时间：2018-12-21 13:10

【摘要】：电致变色材料在过去数十年间引起了研究者广泛的兴趣,它们可以在外界电压作用下发生可逆的颜色变化。由于三氧化钨具有优异的电致变色性能以及电化学稳定性,成为研究最多的电致变色材料之一。本论文以WO3为主要研究对象,通过纳米化、掺杂化等技术手段,利用多种液相法制备具有微纳结构的电致变色材料,依次对水热法、电沉积法以及喷涂法等不同成膜工艺进行改进并最终确认了最具产业化应用前景的溶液成膜工艺,在实验室条件下制备出大尺寸电致变色器件,并对其电致变色性能及应用前景进行了探索。主要研究内容如下:1、晶种辅助水热法:以晶种辅助水热法在FTO(SnO2:F)导电玻璃上制备了水合WO3纳米盘电致变色薄膜,解决了传统晶种辅助水热法反应时间长,反应温度高等问题。研究发现晶种层以及尿素在水热生长中起到关键作用。当无晶种层时,所制备薄膜为由纳米棒组成的花状结构;而当在FTO表面采用溶胶-凝胶法预先制备一层晶种层后进行水热反应,可以得到纳米盘相互交错排列形成的多孔结构薄膜。而尿素的存在能够使晶种辅助水热法制备的水合WO3薄膜具有更强的离子储存能力,因此展现出更大的光调制范围、更快的响应速度和更高的着色效率。2、自晶种水热法:通过自晶种水热法在FTO导电基底上制备了鸟巢状水合WO3电致变色薄膜,这种方法摆脱了水热生长WO3薄膜对晶种层的依赖,消除了晶种辅助水热法制备的薄膜致密晶种层对电子的阻挡,提高了电子传输速度以及电子传输效率。因此,相比于晶种辅助法制备的薄膜,在循环稳定性未受影响的情况下,显示出更快的响应速度、更大的光调制范围以及较高的着色效率。其光调制范围在±0.5 V下提高了27%,着色时间缩短了28%,着色效率达到126.3cm2/C。3、电沉积法:利用电沉积方法制备WO3薄膜,解决了水热法对薄膜基底的限制。将通过简单绿色的溶液法制备出的水合WO3纳米片沉积在导电基底上,形成三维类垂直结构水合WO3纳米片薄膜,这种薄膜的光调制范围达到65.9%,着色时间和响应时间分别为17和3.8秒,着色效率达到52.6 cm2/C。通过这项工作不仅得到一种高性能、低成本的电致变色器件,同时也为构筑多孔结构薄膜提供了新方法,且这种类垂直结构的制备方法在未来可以应用于可拉伸器件中,以防止薄膜在拉伸过程中开裂。4、纳米颗粒喷涂法:喷涂法解决了水热法制备大面积薄膜的限制以及电沉积制备薄膜循环稳定性的问题。通过简单、绿色的溶液掺杂技术制备出高质量的Mo掺杂WO3纳米颗粒,这种纳米颗粒可以均匀分散于水中,形成稳定的纳米墨水。结合原位热氧化喷涂技术,在保持薄膜纳米颗粒结构的前提下消除了颗粒中大量存在的氧空位缺陷,以此提高了电致变色薄膜的光调制范围。这种Mo掺杂WO3纳米颗粒薄膜的光调制范围达到42.9%,着色时间和响应时间分别为10和7.5秒。5、纳米线喷涂法:通过低温常压方法制备出纳米晶定向附着的高质量的Mo掺杂WO3超细纳米线,直径在3 nm左右,且可均匀分散于水中,形成稳定的纳米墨水。将纳米线喷涂于加热的FTO导电玻璃上,定向附着的纳米晶便会二次生长成为纳米颗粒,导致纳米线断裂,而由于纳米线的交叉网络结构,最终在无任何软硬模板的条件制得多孔电致变色薄膜。可将这种多孔电致变色薄膜的制备技术在实验室条件下放大,制备出10×10 cm2尺寸的电致变色器件,这种喷涂技术有望在未来取代真空镀膜工艺,降低大面积电致变色器件的生产成本。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2

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