CN104788022B - 片状纳米银电致变色薄膜的应用 - Google Patents

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Abstract

片状纳米银电致变色薄膜的制备方法及其应用，本发明涉及一种电致变色薄膜的制备方法和应用，它拓宽了传统电致变色材料光谱的研究领域，实现了可见光谱范围内电致变色薄膜的显示。片状纳米银薄膜的制备：一、清洗ITO玻璃；二、ITO玻璃置于硝酸银溶液中，以铂片作为对电极，在恒电压‑2.5～‑1.0v的条件下沉积，得到片状纳米银电致变色薄膜。纳米银薄膜电致变色过程是向硝酸银溶液中加入双氧水，柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮，在施加电压下呈着色态，当施加反向电压时，薄膜呈褪色态。本发明突破传统电致变色材料通过改变材料物相实现变色的方法，而是利用贵金属纳米银材料的表面等离子体共振性质，实现对电致变色材料变色光谱的调控。

Description

片状纳米银电致变色薄膜的应用
技术领域
本发明涉及一种原位生长片状纳米银电致变色薄膜的方法及其应用。
背景技术
环境危机和能源污染使得人类的生存环境正在接受空前的挑战，因此有效地利用石化能源、发展风能、太阳能等可再生资源是实现能源结构调整，环境可持续发展的重要手段。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的绿色能源，利用太阳能可开发光化学能、热能、电能转化材料，其中电致变色材料由于其特定的功能和广阔的应用前景成为各国研究的热点。这种材料不仅可应用在智能节能窗上，还可应用在低能耗显示器、汽车后视镜以及卫星、武器装备的红外隐身等各种领域。
电致变色是指材料的光学属性在外加电场的作用下发生变化的现象，其实质是一种电化学反应的过程，即随着施加外部电压的不断变化，材料的物相发生改变，导致光学性能发生变化。传统电致变色材料按照化学属性大致可划分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料，其光吸收变化是因离子和电子的双注入/抽取引起；有机电致变色材料，其光吸收变化来自氧化还原反应，因色彩丰富、而受到人们的青睐。
贵金属纳米粒子由于其特殊的表面等离子体共振效应，能够在纳米尺度上操纵和控制光子，使利用其开发更小、更快和更高效的纳米光学器件提供了更为有效的途径。金属纳米粒子内部与表面存在大量的自由电子，形成自由电子气团，当入射光与金属纳米结构自由电子气团发生共振时，形成表面等离子体共振，在光谱上表现为强烈的共振吸收或散射峰。金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振吸收光谱中，共振吸收峰的位置可以通过调节纳米颗粒的形貌、各向异性来调控。因此，利用贵金属的表面等离子体共振性质，通过调整材料的形貌即可实现对其光谱性质的调控。
发明内容
本发明的目的是为了拓宽传统电致变色材料光谱的研究领域，实现了可见光谱范围内电致变色薄膜的显示，提供了一种利用金属纳米银表面等离子体共振性质实现电致变色的薄膜制备方法及其应用。
本发明片状纳米银电致变色薄膜的制备方法按下列步骤实现：
一、依次使用无水乙醇、丙酮和超纯水清洗ITO导电玻璃，得到洁净的ITO导电玻璃；
二、将洁净的ITO导电玻璃垂直置于硝酸银溶液中，以铂片作为对电极，在恒电压-2.5～-1.0v的条件下沉积10ms～90s，得到片状纳米银电致变色薄膜。
应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法如下：
一、向硝酸银溶液中加入双氧水，柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮，得到反应溶液；
二、将片状纳米银电致变色薄膜置于反应溶液中，在恒电压为-2.5～-1.0v的条件下沉积10ms～90s，ITO导电玻璃呈着色态；
三、在施加反向电压为-0.5～1.0V时，ITO导电玻璃呈褪色态。
本发明利用贵金属纳米银晶种的生长过程，施加电压时，通过控制电沉积过程中还原银的量，调控生长的片状纳米银尺寸，由于不同尺寸纳米银片的LSPR性质不同，导致其颜色发生变化，即实现电致变色薄膜的着色过程；当施加反向电压时，纳米银氧化溶解为银离子，电致变色层颜色逐渐褪去，即电致变色薄膜的褪色过程。本发明突破传统电致变色材料通过改变材料物相实现变色的方法，而是利用贵金属纳米银材料的表面等离子体共振性质，实现对光谱的调控。本发明可应用在建筑节能智能窗、汽车、显示器等领域。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式片状纳米银电致变色薄膜的制备方法按下列步骤实施：
一、依次使用无水乙醇、丙酮和超纯水清洗ITO导电玻璃，得到洁净的ITO导电玻璃；
二、将洁净的ITO导电玻璃垂直置于硝酸银溶液中，以铂片作为对电极，在恒电压-2.5～-1.0v的条件下沉积10ms～90s，得到片状纳米银电致变色薄膜。
本实施方式利用电化学沉积法，原位生长纳米银实现晶种成核及生长过程，操作简单方便。
本实施方式首先在导电ITO表面沉积纳米银晶种，随后利用电化学方法，在晶种表面还原银离子，通过调整还原银离子的量，调控纳米银材料的尺寸，由于不同尺寸的纳米银具有不同的表面等离子体共振性质，在可见光波段呈现不同的颜色，故在施加电压下可实现着色态，而当施加反向电压时，银发生氧化反应，重新溶解于溶液中，薄膜呈褪色态(最终至透明)。由于不同尺寸的纳米银片其LSPR性质不同，且其光谱调控范围较宽，因此利用其作为电致变色层，其颜色变化更为丰富。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二所述的硝酸银溶液的浓度为0.1×10-4mol/L～100×10-4mol/L。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤二所述的硝酸银溶液的浓度为0.2×10-4mol/L～8×10-4mol/L。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二在恒电压-2.5～-1.0v的条件下沉积15ms～35ms。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法按下列步骤实施：
一、向硝酸银溶液中加入双氧水，柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮，得到反应溶液；
二、将片状纳米银电致变色薄膜置于反应溶液中，在恒电压为-2.5～-1.0v的条件下沉积10ms～90s，ITO导电玻璃呈着色态；
三、在施加反向电压为-0.5～1.0V时，ITO导电玻璃呈褪色态。
本实施例方式步骤二以ITO导电玻璃作为工作电极，以Pt片作为对电极。
本实施方式当在恒电压下沉积时，反应溶液中的银离子逐渐被还原在ITO表面的晶种上，ITO表面的银晶种逐渐变大，在结构导向剂柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮的共同作用下，形成片状结构，其光谱性质也随之发生变化，此时ITO呈着色态。当施加反向电压时，沉积在ITO表面的银逐渐被氧化溶解于溶液中，形成Ag+，故在ITO表面薄膜呈褪色态。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一所述的反应溶液中硝酸银的浓度为0.1×10-4mol/L～10×10-4mol/L。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是步骤一所述的反应溶液中柠檬酸的浓度为1×10-4mol/L～10×10-4mol/L。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是步骤一所述的反应溶液中聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.01～1mol/L。其它步骤及参数与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是步骤二在恒电压为-2.5～-1.0v的条件下沉积20s～35s，ITO导电玻璃呈着色态。其它步骤及参数与具体实施方式四至八之一相同。
实施例一：本实施例片状纳米银电致变色薄膜的制备方法按下列步骤实施：
一、依次使用无水乙醇、丙酮、超纯水清洗ITO导电玻璃，得到洁净的ITO导电玻璃；
二、将洁净的ITO导电玻璃垂直置于50ml浓度为0.5×10-4mol/L的硝酸银溶液中，以铂片作为对电极，在恒电压-2.2v的条件下沉积20ms，得到片状纳米银电致变色薄膜。
本实施例银离子被还原为银晶种，沉积在导电玻璃表面。
应用实施例一：本实施例应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法按下列步骤实施：
一、向实施例一中的硝酸银溶液中加入10μL双氧水(1％)，10μL柠檬酸(2.0×10- 4mol/L)和0.001g聚乙烯吡咯烷酮，得到反应溶液；
二、将片状纳米银电致变色薄膜置于反应溶液中，在恒电压为-2.5v下沉积20s，此时反应溶液中的银离子逐渐被还原在ITO导电玻璃的晶种上，ITO导电玻璃上的银颗粒逐渐变大，ITO导电玻璃呈蓝绿色；
三、在施加反向电压为0.2V时，沉积在ITO导电玻璃表面的银逐渐被氧化溶解于反应溶液中，ITO导电玻璃呈褪色态。
本实施例所用的原料硝酸银、柠檬酸、双氧水和聚乙烯吡咯烷酮均为分析纯。
实施例二：本实施例片状纳米银电致变色薄膜的制备方法按下列步骤实施：
一、依次使用无水乙醇、丙酮、超纯水清洗ITO导电玻璃，得到洁净的ITO导电玻璃；
二、将洁净的ITO导电玻璃垂直置于50ml浓度为0.5×10-4mol/L的硝酸银溶液中，以铂片作为正极，在恒电压-2.2v的条件下沉积18ms，得到片状纳米银电致变色薄膜。
应用实施例二：本实施例应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法按下列步骤实施：
一、向实施例二中的硝酸银溶液中加入15μL双氧水，10μL柠檬酸(2.0×10-4mol/L)和0.001g聚乙烯吡咯烷酮，得到反应溶液；
二、将片状纳米银电致变色薄膜置于反应溶液中，在恒电压为-2.5v下沉积25s，此时反应溶液中的银离子逐渐被还原在ITO导电玻璃的晶种上，ITO导电玻璃上的银颗粒逐渐变大，ITO导电玻璃呈蓝绿色；
三、在施加反向电压为0.2V时，沉积在ITO导电玻璃表面的银逐渐被氧化溶解于反应溶液中，ITO导电玻璃呈褪色态。
实施例三：本实施例片状纳米银电致变色薄膜的制备方法按下列步骤实施：
一、依次使用无水乙醇、丙酮、超纯水清洗ITO导电玻璃，得到洁净的ITO导电玻璃；
二、将洁净的ITO导电玻璃垂直置于50ml浓度为0.5×10-4mol/L的硝酸银溶液中，以铂片作为正极，在恒电压-2.2v的条件下沉积25ms，得到片状纳米银电致变色薄膜。
应用实施例三：本实施例应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法按下列步骤实施：
一、向实施例一中的硝酸银溶液中加入20μL双氧水，10μL柠檬酸(2.0×10-4mol/L)和0.001g聚乙烯吡咯烷酮，得到反应溶液；
二、将片状纳米银电致变色薄膜置于反应溶液中，在恒电压为-2.5v下沉积25s，此时反应溶液中的银离子逐渐被还原在ITO导电玻璃的晶种上，ITO导电玻璃上的银颗粒逐渐变大，ITO导电玻璃呈蓝绿色；
三、在施加反向电压为0.2V时，沉积在ITO导电玻璃表面的银逐渐被氧化溶解于反应溶液中，ITO导电玻璃呈褪色态。

Claims (4)

1.应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法，该片状纳米银电致变色薄膜的制备方法按下列步骤实现：
a、依次使用无水乙醇、丙酮和超纯水清洗ITO导电玻璃，得到洁净的ITO导电玻璃；
b、将洁净的ITO导电玻璃垂直置于硝酸银溶液中，以铂片作为对电极，在恒电压-2.5～-1.0v的条件下沉积10ms～90s，得到片状纳米银电致变色薄膜；其特征在于是按下列步骤实现：
一、向硝酸银溶液中加入双氧水，柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮，得到反应溶液；
二、将片状纳米银电致变色薄膜置于反应溶液中，在恒电压为-2.5～-1.0v的条件下沉积10ms～90s，ITO导电玻璃呈着色态；
三、在施加反向电压为-0.5～1.0V时，ITO导电玻璃呈褪色态。
2.根据权利要求1所述的应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法，其特征在于步骤一所述的反应溶液中硝酸银的浓度为0.1×10-4mol/L～10×10-4mol/L。
3.根据权利要求1所述的应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法，其特征在于步骤一所述的反应溶液中聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.01～1mol/L。
4.根据权利要求1所述的应用片状纳米银电致变色薄膜进行电致变色的方法，其特征在于步骤二在恒电压为-2.5～-1.0v的条件下沉积20s～35s，ITO导电玻璃呈着色态。
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