基于氧化钨、聚吡咯电致变色薄膜的制备及性能研究
发布时间：2022-02-15 02:39
电致变色材料在过去的几十年间不温不热,但在最近几年突然成为功能材料研究方向的热点。因为电致变色材料在外加电压的激励下可以发生光学的可逆变化和能量的储放。这种功能材料由于具有上述独特性能而被应用于智能窗、军事伪装,功能包装、防腐材料、卫星热控等领域。在众多的电致变色材料中,无机电致变色材料氧化钨（WO3）和有机电致变色材料聚吡咯（PPy）由于具有优异的导电性、大的光学对比度、以及良好的环境稳定性等优点,而被广泛研究并应用于许多领域。目前,虽然已经有研究报道了WO3和PPy电致变色薄膜的合成,然而仍然存在一些未解决的问题,如单电极电致变色材料已经无法满足多功能电致变色器件的功能化,而复合电致变色材料可以实现单一材料的优势累加和弱化其缺点。因此本文提出了采用掺杂、多孔结构设计与优化制备时间等手段来改善WO3和PPy电致变色薄膜的光学调制范围、响应时间、着色效率和循环稳定性等问题。在优化材料的基础上,构建了电致变色储能双功能电致变色器件。研究内容主要分为以下两个部分:（1）THMS/WO3电致变色薄膜的制备...
【文章来源】：湖南工业大学湖南省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
元素周期表中阳极和阴极过渡金属氧化物对应的元素
材料中脱入，电子从电致变色材料输出，价态升高，材料表现为透明态。(Ⅰ)WO3WO3电致变色薄膜具有原材料易得，成本低，且光学调制能力强、氧化还原电位低和循环稳定性好等优势[48-52]。WOx晶体结构是钙钛矿结构时，其氧离子在相邻的过渡金属位点(如W-O-W桥)之间，这种结构导致WOx材料具有优异的光学性能、导电性和金属性能。另外，由于制备条件不同，WOx薄膜呈现晶态(图1-2(a))和非晶态(图1-2(b))的物相区别。非晶态WOx材料的这种结构更利于离子的快速传输，因此非晶态WOx薄膜更适合被用来作为电致变色材料[53-55]。图1-2WOx的结构示意图：(a)晶态WOx,(b)非晶态WOx(单斜晶体)Figure1-2WOxstructure:(a)Amorphous;(b)monoclinicWO3材料的变色过程的基本原则：在赋予交流电势的作用下，电子嵌入WO3材料和电荷平衡小离子(H+、Na+、K+等)，薄膜变为着色态蓝色，反之电子脱出WO3材料和同时也需要电荷平衡小离子(H+、Na+、K+等)，薄膜从深蓝色逐渐变为透明，其变色机理可用如下方程表示：+y+y(1-1)其中Z+一般有H+及一些碱金属阳离子(Li+、K+)。在动力学和化学上对WO3材料的电化学反应变色原理解释的基础上，科学家们在内在物理机制方面提出了各种模型来解释其变色机理，包括以下五种模型：a、F色心模型在20世纪60年代S.K.Deb发现WO3电致变色材料后，随后提出F色心模型来解释非晶态WO3的离子晶体结构，非晶态WO3的结构中普遍存在带正电的氧空位中心缺陷，可以很好的捕获电子，两者结合形成色心，其晶体结构与金属卤化物一样，此模型又被称为Deb模型。F色心模型解释了WO3电致变色材料在着色时表现为蓝色，其归因于光激发的氧空位时，电荷状态发生变化，导致材料的吸收特性和颜色都发生变化，WO3电致变色材料成为着色态。
4b、Faughnan模型价间电荷迁移模型(intervalencechargetransfer,ICVT模型)由BrainW.Faughnan于1975年提出，又被叫做Faughnan模型。此模型与极化子吸收过程相似，其在导带状态他们两者都构成了电子跃迁。这个模型解释了WO3电致变色材料的电化学变色原理，即在赋予外加负电压的作用下，离子和电子进入非晶态WO3电致变色材料中占据其原子晶格间缺陷，形成亚稳态钨青铜。当给予相反电压时，离子与电子从WO3电致变色材料中脱出与输出。薄膜从深蓝色又逐渐的变回了透明态。其ICVT模型原理示意图如1-3所示。图1-3Faughnan模型示意图Figure1-3ModeldiagramoftheFaughnanc、Schirmer模型在前两个对非晶WO3薄膜的电致变色原理解释的基础上，Schirmer等人提出了Schirmer模型，及小极子吸收模型。小极子吸收模型定义是当电子被输入WO3晶格时，电子与周围的WO3晶格相互作用而被束缚在某个WO3晶格位点时，形成的小极化子。但是，WO3薄膜在不同晶格位点而能量也会不同，所以当电子输入时，电子更加向更深能级位点的晶格靠拢，以至被束缚而拥有低能量，导致深能级与低能级之间的光学诱导跃迁因其薄膜发生光学变化而使薄膜着色。科学家们也称以Faughnan模型是Schirmer的半经典形式，因为两者都是建立在离子和电子嵌入脱出与输入输出的基础上。d、能级模型科学家们提出的F色心、Faughnan和Schirmer这三种模型主要是用来分析非晶型WO3材料的变色原理。在这基础上，Granqvist研究者们提出了能级模型来分析结晶态的WO3材料。这部分研究主要是从第一性原理的角度出发，通过计算材料学来研究并提出的模型。然而由于晶态氧化钨的晶型复杂，其具有立方晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系、三斜晶系等。这使得能级模型的研究十分复杂WO3的费米能级
【参考文献】：
期刊论文
[1]Near-infrared electrochromism of multilayer films of a cyclometalated diruthenium complex prepared by layer-by-layer deposition on metal oxide substrates[J]. Zhi-Juan Li,Chang-Jiang Yao,Yu-Wu Zhong. Science China（Chemistry）. 2019(12)
[2]导电聚吡咯电极的现场红外光谱[J]. 谢虹,严曼明,江志裕. 复旦学报(自然科学版). 1997(01)
博士论文
[1]基于新型无铟透明导电薄膜的柔性电致变色多功能器件研究[D]. 董文杰.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]微结构全彩色氧化钨电致变色薄膜的构筑及应用[D]. 肖莉莉.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]基于三苯胺电致变色材料的制备及高光学对比度器件的研究[D]. 曾金明.华南理工大学 2019
[4]WO3和NiO薄膜的制备及其电致变色性能研究[D]. 曲慧颖.哈尔滨工业大学 2019
[5]聚苯胺基纳米复合材料的制备及电致变色性能研究[D]. 张坤.哈尔滨工业大学 2019
[6]纳米晶掺杂WO3/ITO复层薄膜制备及电致变色性能研究[D]. 高赟.西安理工大学 2016
[7]三氧化钨基无机电致变色薄膜材料设计、制备与性能研究[D]. 李海增.东华大学 2016
[8]纳米结构V2O5薄膜的制备及其电致变色和电容性能研究[D]. 童仲秋.哈尔滨工业大学 2015
[9]新型紫精化合物及多功能电致变色器件的探索与开发[D]. 李梅.中国科学技术大学 2014
[10]金属氧化物基电致变色薄膜的制备及性能改善[D]. 蔡国发.浙江大学 2014
硕士论文
[1]基于有机/无机复合电致变色材料的制备及性能研究[D]. 田灿灿.南京邮电大学 2019
[2]噻吩类高性能电致变色聚合物的设计合成、性能及器件图案化[D]. 屈凯.江西科技师范大学 2019
[3]基于可逆电致酸/碱机理的电致变色材料[D]. 郑文轩.吉林大学 2019
[4]用于隐身织物的高稳定性电致变色材料及防水涂层研究[D]. 李帅帅.西安科技大学 2019
[5]基于配位键的聚苯胺/过渡金属离子杂化电致变色材料的制备与研究[D]. 王茹.西安科技大学 2019
[6]聚苯胺及其衍生物电致变发射率薄膜的制备与性能研究[D]. 王博.哈尔滨工业大学 2019
[7]含联吡啶类电致变色材料的制备及表征[D]. 李欣.哈尔滨工业大学 2019
[8]氧化钨基电致变色与能量存储双功能器件研究[D]. 谢思杰.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2019
[9]基于聚吡咯的自供电电致变色器件的制备与性能研究[D]. 杨兵.上海第二工业大学 2019
[10]基于WO3薄膜的电致变色器件研究[D]. 黄伟.广东工业大学 2019
本文编号：3625746
【文章来源】：湖南工业大学湖南省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
元素周期表中阳极和阴极过渡金属氧化物对应的元素
材料中脱入，电子从电致变色材料输出，价态升高，材料表现为透明态。(Ⅰ)WO3WO3电致变色薄膜具有原材料易得，成本低，且光学调制能力强、氧化还原电位低和循环稳定性好等优势[48-52]。WOx晶体结构是钙钛矿结构时，其氧离子在相邻的过渡金属位点(如W-O-W桥)之间，这种结构导致WOx材料具有优异的光学性能、导电性和金属性能。另外，由于制备条件不同，WOx薄膜呈现晶态(图1-2(a))和非晶态(图1-2(b))的物相区别。非晶态WOx材料的这种结构更利于离子的快速传输，因此非晶态WOx薄膜更适合被用来作为电致变色材料[53-55]。图1-2WOx的结构示意图：(a)晶态WOx,(b)非晶态WOx(单斜晶体)Figure1-2WOxstructure:(a)Amorphous;(b)monoclinicWO3材料的变色过程的基本原则：在赋予交流电势的作用下，电子嵌入WO3材料和电荷平衡小离子(H+、Na+、K+等)，薄膜变为着色态蓝色，反之电子脱出WO3材料和同时也需要电荷平衡小离子(H+、Na+、K+等)，薄膜从深蓝色逐渐变为透明，其变色机理可用如下方程表示：+y+y(1-1)其中Z+一般有H+及一些碱金属阳离子(Li+、K+)。在动力学和化学上对WO3材料的电化学反应变色原理解释的基础上，科学家们在内在物理机制方面提出了各种模型来解释其变色机理，包括以下五种模型：a、F色心模型在20世纪60年代S.K.Deb发现WO3电致变色材料后，随后提出F色心模型来解释非晶态WO3的离子晶体结构，非晶态WO3的结构中普遍存在带正电的氧空位中心缺陷，可以很好的捕获电子，两者结合形成色心，其晶体结构与金属卤化物一样，此模型又被称为Deb模型。F色心模型解释了WO3电致变色材料在着色时表现为蓝色，其归因于光激发的氧空位时，电荷状态发生变化，导致材料的吸收特性和颜色都发生变化，WO3电致变色材料成为着色态。
4b、Faughnan模型价间电荷迁移模型(intervalencechargetransfer,ICVT模型)由BrainW.Faughnan于1975年提出，又被叫做Faughnan模型。此模型与极化子吸收过程相似，其在导带状态他们两者都构成了电子跃迁。这个模型解释了WO3电致变色材料的电化学变色原理，即在赋予外加负电压的作用下，离子和电子进入非晶态WO3电致变色材料中占据其原子晶格间缺陷，形成亚稳态钨青铜。当给予相反电压时，离子与电子从WO3电致变色材料中脱出与输出。薄膜从深蓝色又逐渐的变回了透明态。其ICVT模型原理示意图如1-3所示。图1-3Faughnan模型示意图Figure1-3ModeldiagramoftheFaughnanc、Schirmer模型在前两个对非晶WO3薄膜的电致变色原理解释的基础上，Schirmer等人提出了Schirmer模型，及小极子吸收模型。小极子吸收模型定义是当电子被输入WO3晶格时，电子与周围的WO3晶格相互作用而被束缚在某个WO3晶格位点时，形成的小极化子。但是，WO3薄膜在不同晶格位点而能量也会不同，所以当电子输入时，电子更加向更深能级位点的晶格靠拢，以至被束缚而拥有低能量，导致深能级与低能级之间的光学诱导跃迁因其薄膜发生光学变化而使薄膜着色。科学家们也称以Faughnan模型是Schirmer的半经典形式，因为两者都是建立在离子和电子嵌入脱出与输入输出的基础上。d、能级模型科学家们提出的F色心、Faughnan和Schirmer这三种模型主要是用来分析非晶型WO3材料的变色原理。在这基础上，Granqvist研究者们提出了能级模型来分析结晶态的WO3材料。这部分研究主要是从第一性原理的角度出发，通过计算材料学来研究并提出的模型。然而由于晶态氧化钨的晶型复杂，其具有立方晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系、三斜晶系等。这使得能级模型的研究十分复杂WO3的费米能级
【参考文献】：
期刊论文
[1]Near-infrared electrochromism of multilayer films of a cyclometalated diruthenium complex prepared by layer-by-layer deposition on metal oxide substrates[J]. Zhi-Juan Li,Chang-Jiang Yao,Yu-Wu Zhong. Science China（Chemistry）. 2019(12)
[2]导电聚吡咯电极的现场红外光谱[J]. 谢虹,严曼明,江志裕. 复旦学报(自然科学版). 1997(01)
博士论文
[1]基于新型无铟透明导电薄膜的柔性电致变色多功能器件研究[D]. 董文杰.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]微结构全彩色氧化钨电致变色薄膜的构筑及应用[D]. 肖莉莉.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]基于三苯胺电致变色材料的制备及高光学对比度器件的研究[D]. 曾金明.华南理工大学 2019
[4]WO3和NiO薄膜的制备及其电致变色性能研究[D]. 曲慧颖.哈尔滨工业大学 2019
[5]聚苯胺基纳米复合材料的制备及电致变色性能研究[D]. 张坤.哈尔滨工业大学 2019
[6]纳米晶掺杂WO3/ITO复层薄膜制备及电致变色性能研究[D]. 高赟.西安理工大学 2016
[7]三氧化钨基无机电致变色薄膜材料设计、制备与性能研究[D]. 李海增.东华大学 2016
[8]纳米结构V2O5薄膜的制备及其电致变色和电容性能研究[D]. 童仲秋.哈尔滨工业大学 2015
[9]新型紫精化合物及多功能电致变色器件的探索与开发[D]. 李梅.中国科学技术大学 2014
[10]金属氧化物基电致变色薄膜的制备及性能改善[D]. 蔡国发.浙江大学 2014
硕士论文
[1]基于有机/无机复合电致变色材料的制备及性能研究[D]. 田灿灿.南京邮电大学 2019
[2]噻吩类高性能电致变色聚合物的设计合成、性能及器件图案化[D]. 屈凯.江西科技师范大学 2019
[3]基于可逆电致酸/碱机理的电致变色材料[D]. 郑文轩.吉林大学 2019
[4]用于隐身织物的高稳定性电致变色材料及防水涂层研究[D]. 李帅帅.西安科技大学 2019
[5]基于配位键的聚苯胺/过渡金属离子杂化电致变色材料的制备与研究[D]. 王茹.西安科技大学 2019
[6]聚苯胺及其衍生物电致变发射率薄膜的制备与性能研究[D]. 王博.哈尔滨工业大学 2019
[7]含联吡啶类电致变色材料的制备及表征[D]. 李欣.哈尔滨工业大学 2019
[8]氧化钨基电致变色与能量存储双功能器件研究[D]. 谢思杰.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2019
[9]基于聚吡咯的自供电电致变色器件的制备与性能研究[D]. 杨兵.上海第二工业大学 2019
[10]基于WO3薄膜的电致变色器件研究[D]. 黄伟.广东工业大学 2019
本文编号：3625746
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