大面积电致变色玻璃的制备与研究

发布时间：2020-06-05 06:48

【摘要】：日益剧增的能源需求,已经成为人类社会发展的严峻挑战。合理提高能源利用效率,维持经济可持续发展是当前的迫切需求。据统计,我国建筑能耗主要包括冬天取暖以及夏天制冷,其约占全社会总能耗的40%,因此建筑节能意义重大。电致变色技术为现代建筑物的节能提供了一种新的解决方案,它可以按照人的意志调节玻璃的可见光透过率以及太阳光辐射能。因此,大面积电致变色玻璃的产业化也被提上了日程。而从实验室的小面积电致变色玻璃到可以在实际生活中应用的大面积电致变色玻璃还有很长的路要走,许多技术、工艺问题迫切需要解决,电致变色玻璃的循环寿命和稳定性也亟需提高。本论文采用多种方法制备了氧化钨及氧化镍电致变色薄膜,合成了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/碳酸丙烯酯(PC)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)准固态电解质,并且用热压胶片法将变色层与电解质层组装成大面积的电致变色玻璃,测试器件的循环稳定性。进一步制作了氧化钨/氧化镍复合电极互补型电致变色玻璃,提高了器件的光调制范围及响应速度,使器件具有了良好的阻隔太阳光及防止偷窥的作用。首先,用磁控溅射、喷涂、喷雾热解以及丝网印刷等方法制备了大面积掺钼氧化钨电致变色薄膜,并制作了PMMA/PC准固态电解质,用热压胶片法把电解质和电致变色薄膜组装成器件,并对器件的光调制范围、响应时间、循环稳定性等进行了测试。观察到器件随着循环次数的增多,会逐渐产生气泡,光调制范围和响应时间也会逐渐降低,用电子能谱仪和红外光谱仪分别分析了薄膜和电解质成分的改变,发现电解质中的Li~+与PC分子之间具有很强的相互作用,生成了[LiPC]~+,它比纯的PC溶剂拥有更低的最低未占分子轨道。PC-ClO_4~-复合氧化导致PC去质子化并形成HClO_4,阴离子的存在降低了溶剂的氧化稳定性,并改变了分解动力学和热力学,导致形成气体,降低了器件的循环稳定性。为了缓解产生的气泡问题,制备了PVDF-HFP/DMF准固态电解质,并用热压胶片法组装成器件,对器件性能进行测试。发现当用PVDF-HFP:DMF=50%的电解质组装成器件后,循环100圈后无气泡产生,说明改善了器件循环过程中电解质发生分解的问题,提高了器件的循环寿命。最后,为了提高光调制范围,加快响应时间,使变色玻璃能够更好地起到节约能源和防止偷窥的作用,制备了氧化钨/氧化镍复合电极互补型电致变色玻璃。讨论了制备参数对氧化镍薄膜性能的影响:当射频溅射NiO靶材时,溅射功率为60 W、氧气与氩气的比例为0:70、溅射偏压224 V时制备的器件的变色性能最好;当直流溅射Ni靶材时,溅射功率60 W,氧气与氩气的比例为30:60时制备的器件的变色性能最好。基于以上研究,有望为生产性能优异、可长期使用的大面积电致变色玻璃提供良好的工程技术支撑。
【图文】：

电致变色,智能窗,实际应用,例子

图 1.1 多窗格的电致变色智能窗实际应用的两个例子。(a) 应用在美国 Lawrenceerkelecy National 图书馆的电致变色智能窗[30]；(b) 应用在瑞典的乌普萨拉市一个公司中的 ChromoGenics AB 公司生产的电致变色智能窗[31]目前电致变色技术仍然存在着一些问题，比如有限的可以变化的颜色、缓慢转变速度、较低的循环稳定性和不成熟的装配工艺等。.3 电致变色材料电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。在过去的几十年致变色材料和器件由于可以节约能源和具有优异的光调制性能，吸引了越来越人的关注。考虑到电致变色器件的实际应用，电致变色材料的光调制范围（ΔT）长期的循环稳定性也受到越来越多的关注[32-35]。例如，氧化钨（WO3）由于它用的电致变色性能和较大的光调制范围而成为一种发展的很好的电致变色材，它是一种阴极着色材料。氧化镍（NiO）也是一种典型的电致变色材料，它一种阳极着色材料。现在有很多基于 WO3和 NiO 的电致变色器件的研究。电

过渡金属元素,阳极,阴极,氧化物

图 1.2 氧化物具有阳极着色或阴极着色的过渡金属元素分布[40-43]1.3.1.1 阴极着色材料WO3、MoO3、TiO2和 Nb2O5是阴极电致变色材料的典型代表。下面着重介绍典型的阴极着色材料三氧化钨的着色机理。WO3的电致变色是一种非常复杂的现象，它可以由下面简单的反应式表达：（透明）WO3+xM++xe- MxWO3（深蓝） (1)式中，0<x<1，M+为 H+, Li+, Na+或是 K+，，e-表示电子。着色过程是一个电子迁移过程，而其光学吸收主要在于共价电子从 W5+变为了 W6+。1.3.1.2 阳极着色材料NiO、IrOx 、Co2O3、V2O5、Rh2O3是阳极电致变色材料的典型代表。下面着重介绍典型的阳极着色材料氧化镍的着色机理。作为自然界丰富存在的低成本的半导体，氧化镍 (NiO) 被广泛应用在超级电容器、传感器以及电致变色智能窗中。NiO 在阳极着色状态下呈现灰色，在褪色状态下又比较透明，且具有较好的离子储存能力。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ171.724

【参考文献】