聚苯胺基纳米复合材料的制备及电致变色性能研究

发布时间：2020-07-12 03:35

【摘要】：电致变色材料是通过电压调节实现自身可调控的光学和颜色变化的一类材料。它不仅可以用在智能窗上,也可以用于低能显示器、电子纸、传感器、卫星和遮阳板等领域。此外,电致变色材料还可以用于汽车防炫目的后视镜上,避免强光入射刺激眼睛带来的安全隐患。本课题所制备的复合材料是基于电致变色领域研究较为广泛的三种过渡金属氧化物(MoO_3、WO_3和V_2O_5),它们通过与导电聚合物复合来提高其电化学性能和增强电致变色性能。通过构筑无机/有机纳米复合材料,发挥复合材料中两种组分的相互协同作用,来改善材料的电致变色性能。通过对复合材料形貌和尺寸的调控,增大复合材料电极的比表面积,缩短离子传输距离,提高复合材料的响应时间、改善循环测试稳定性和光学性能的目的。聚苯胺电致变色时具有多种颜色的变化、快速响应时间和高的光学对比度等优点。本课题采用聚苯胺与MoO_3、WO_3和V_2O_5三种过渡金属氧化物复合,得到过渡金属氧化物/聚苯胺纳米复合材料。这些复合材料电致变色时具有颜色变化丰富、电化学循环稳定性良好、响应时间快、导电性好和光谱调节范围广等优点。采用水热-电沉积工艺合成三维网络结构的MoO_3@PANI纳米片复合材料。通过简单的水热法和冷冻干燥工艺相结合,在ITO导电玻璃表面形成三维网状MoO_3纳米片,再利用电化学沉积工艺将聚苯胺包覆在MoO_3纳米片表面得到三维网络结构的MoO_3@PANI纳米片复合材料。电沉积实验的最佳条件是:在0.01mol/L苯胺和0.1 mol/L硫酸水溶液中,沉积电压为-0.2~1.2 V之间,扫速为50 mV s~(-1),循环沉积4圈。纳米片包覆聚苯胺后不仅提高了电极和电解液界面的导电率,也提高了离子电荷迁移能力,从而表明复合薄膜具有更高的电化学活性和电极反应动力。复合薄膜的纳米片结构有利于离子和电子的径向传导,而且在三维网络结构的复合材料中存在大量空隙,这些空隙能够有效增加电解液和电极材料的电化学反应接触面积。复合薄膜的循环稳定性测试可达500次,此时透过率变化值为30%,变为初始透过率的75%,平均每圈衰减0.05%。复合材料拥有快速的响应时间,着色时间为1.0 s,褪色时间可达0.9 s。MoO_3@PANI纳米片还原态的锂离子扩散系数为5.66×10~-1010 cm~2 s~(-1),氧化态的锂离子扩散系数8.65×10~-1111 cm~2 s~(-1)。MoO_3@PANI纳米片的离子扩散系数比MoO_3纳米片增加数倍。MoO_3@PANI纳米片颜色变化丰富,可从蓝色、灰色、黄色、绿色到紫色。采用水热-电沉积工艺合成方法制备了类似海胆状的WO_3@PANI核壳纳米带结构。该复合材料经过1000次的循环测试后,仍然保持良好的稳定性,透过率变化为初始状态的87%,平均每圈透过率仅衰减0.013%。WO_3@PANI核壳纳米带的褪色时间为1.5 s,着色时间为1.9 s。WO_3@PANI核壳纳米带还原态的离子扩散系数为2.98×10~-99 cm~2 s~(-1),氧化态的离子扩散系数3.20×10~-1010 cm~2 s~(-1)。WO_3@PANI核壳纳米带的离子扩散系数比复合之前增加数倍。电致变色时透过率光谱调节范围较大,颜色变化可从蓝色、灰色、黄色、绿色到紫色。室温条件下,采用V_2O_5重结晶的方法制备V_2O_5纳米带。再通过化学合成方法与聚苯胺复合制备三维网络状的V_2O_5@PANI核壳纳米线。复合实验的最佳反应时间为4 h,此时所得到的复合材料响应时间最短,透过率变化值最大。这种制备方法具有更容易操作和设备投资更少的优点。该复合薄膜经过1000次测试后,透过率变化值变为初始状态的64%,平均每圈衰减0.036%,具有良好的稳定性。V_2O_5@PANI核壳纳米线的褪色时间为1.5 s,着色时间为2.3 s。V_2O_5@PANI核壳纳米线还原态的离子扩散系数为8.65×10~-1111 cm~2 s~(-1),氧化态的离子扩散系数1.10×10~-1010 cm~2 s~(-1)。复合之后的离子扩散系数比复合前增加数倍。V_2O_5@PANI核壳纳米线复合材料的颜色变化所占色系丰富,可以从黑色、浅黄、黄色、红色到绿色。这是由于V_2O_5在过渡金属氧化物中是唯一既能够在高价氧化态着色,又能够在低价还原态着色的双着色电致变材料,所以它与聚苯胺进行复合得到的电致变色材料颜色变化更为丰富。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33
【图文】：

1-1 元素周期表中具有阳极着色和阴极着色的过渡金属氧化物对应的元1-1 The elements of the transition metal oxides with anodic coloration and coloration in the periodic table[60]谓阳极电致变色氧化物是指在高价氧化态时材料为着色态，低价为褪色态。阴极电致变色恰好相反，在低价还原态时材料为着态时材料为褪色态。图 1-1 列出了主要的几种过渡金属氧化物电

WO3晶体结构图

α-MoO3晶体结构图

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 林改;;全固态电致变色智能窗[J];玻璃;2015年03期

2 姚健;陶卫东;;智能窗及其研究进展[J];门窗;2009年06期

3 蒋群杰;李毅;胡双双;武斌;俞晓静;;基于热光效应的智能窗薄膜材料[J];激光与光电子学进展;2007年12期

本文编号：2751364