CN104806128A - 一种电致变色智能窗及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用具有孔结构的WO₃作为电致变色层的电致变色智能窗及其制备方法。窗本体是由NiO/ITO层、凝胶电解质和WO₃/ITO层组成。本发明使用具有孔结构的WO₃薄膜作为电致变色层，通过制备方法选择及制备条件的控制，使其具有晶态和非晶态两种形态，因此可以兼顾循环稳定性好、响应时间短及着色效率高等优点。

Description

一种电致变色智能窗及其制备方法

技术领域

本发明涉及电致变色材料技术领域，尤其涉及一种电致变色智能窗及其制备方法。

背景技术

电致变色是指材料在一定的电场或电流作用下发生光散射或者光吸收，从而导致其颜色发生变化，当电极极性改变时，又会出现退色的现象。电致变色材料能够控制光能，降低能量损耗，符合未来智能材料的发展趋势，因此受到越来越多的关注。特别是如今，随着人们节能环保意识地逐渐提升，电致变色材料在智能窗的应用方面已成为研究热点。这种智能窗是通过自动或者手动改变外加电压或电流，从而使材料发生化学反应，导致其颜色发生变化，再跟踪入射光的能量进行调节从而控制室内温度。

本发明使用具有孔结构的WO₃薄膜作为电致变色层，通过制备方法选择及制备条件的控制，使其具有晶态和非晶态两种形态，因此可以兼顾循环稳定性好、响应时间短及着色效率高等优点。选择恰当的离子存储层及电解质，组装得到智能窗。其原理是将智能窗通电后，薄膜会发生电子的嵌入与抽出，使窗体颜色发生改变。由于孔结构的作用，离子扩散距离缩短，扩散系数增大，因此当WO₃进行电致变色时，将具有非常短的响应时间。同时，孔结构的引入使WO₃具有更大的比表面积。产生电致变色的根本原因是氧化还原反应。电致变色材料颜色变化越明显，说明参与氧化还原反应的电化学活性位点越多。大的比表面积可以增加参与电化学反应的位点，因此具有孔结构的WO₃着色时颜色更深，光学透过率更低，从而提高其光学密度，进而提高其着色效率。该设计安全有效，节能环保，使用寿命长。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种电致变色智能窗，循环稳定性好、响应时间短、着色效率高。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种电致变色智能窗，窗本体是由NiO/ITO层、凝胶电解质和WO₃/ITO层组成。

一种电致变色智能窗的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将导电基板ITO分别于丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗10～30min，除去其表面的灰尘及油脂，得到清洁的ITO基片，放入烘箱烘干；

步骤二、用电化学法制备WO₃薄膜：向1～100mL 0.1～1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H₂O₂和0.1～1mol/L的硫酸1～100mL，得到浅黄色溶液；将处理过的ITO垂直置于溶液中作为负极，以不锈钢为正极，在恒电流1～10mA下沉积300～1000s，得到WO₃薄膜；

步骤三、用化学浴沉积法制备氧化镍(NiO)薄膜：将0.1～1mol的硫酸镍和0.01～0.1mol的过硫酸钾加入超纯水磁力搅拌混合均匀，得到深绿色溶液；将聚酰亚胺胶带粘在ITO的非导电侧以防止该侧发生沉积；将处理过的ITO垂直置于溶液中，并向溶液中加入10～50mL氨水，剧烈搅拌，沉积得到薄膜，并用超纯水洗涤；除去聚酰亚胺胶带，将样品放入烘箱烘干，然后在300～400℃空气退火1～5h制备得到NiO薄膜；

步骤四、凝胶电解质的制备：将0.1～1g高氯酸锂(LiClO₄)、1～6g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、3～10g碳酸丙烯酯(PC)和10～30g乙腈混合均匀，晾干后形成凝胶；

步骤五、组装电致变色智能窗：组装框架、滑片、电致变色控制系统和窗本体从而得到电致变色智能窗；其中，窗本体是由WO₃/ITO层、凝胶电解质和NiO/ITO层组成。

本发明通过对智能窗所使用的电致变色材料及电解质的选择与设计，来实现其对光的透过率的控制。其原理是将智能窗通电后，对窗体施加-1～-3V的电压，窗体颜色变为蓝黑色。此时，发生如下的变色反应：

M_xNiO(退色态)→M_x-yNiO(着色态)+yM⁺ye^-

zM⁺+ze-+WO₃(退色态)→M_zWO₃(0＜x＜1)(看色态)

再对窗体施加+1～+3V的电压，窗体退色至透明。此时，发生如下的变色反应：

M_x-yNiO(着色态)+yM⁺+ye^-→M_xNiO(退色态)

M_zWO₃(0＜x＜1)(看色态)→zM⁺+ze^-+WO₃(退色态)

由于WO₃及NiO的记忆效应，断电后一段时间内电荷将留在电极/溶液界面的双电层和电极材料本体中，降低光的透过率，从而达到控制室内温度的作用。该设计安全有效，节能环保，使用寿命长。

本发明有益效果如下：

本发明的有益效果在于在使智能窗可跟踪入射光的能量进行调节从而控制室内温度的同时，可实现其对电荷的存储与释放。该设计安全有效，节能环保，使用寿命长。

本发明使用具有孔结构的WO₃薄膜作为电致变色层，通过制备方法选择及制备条件的控制，使其具有晶态和非晶态两种形态，因此可以兼顾循环稳定性好、响应时间短及着色效率高等优点。选择恰当的离子存储层及电解质，组装得到智能窗。其原理是将智能窗通电后，薄膜会发生电子的嵌入与抽出，使窗体颜色发生改变。由于孔结构的作用，离子扩散距离缩短，扩散系数增大，因此当WO₃进行电致变色时，将具有非常短的响应时间。同时，孔结构的引入使WO₃具有更大的比表面积。产生电致变色的根本原因是氧化还原反应。电致变色材料颜色变化越明显，说明参与氧化还原反应的电化学活性位点越多。大的比表面积可以增加参与电化学反应的位点，因此具有孔结构的WO₃着色时颜色更深，光学透过率更低，从而提高其光学密度，进而提高其着色效率。该设计安全有效，节能环保，使用寿命长。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是智能窗窗体结构示意图；

图2是WO₃薄膜沉积的电压-时间曲线；

图3是WO₃薄膜平面的扫描电镜照片；

图4是WO₃薄膜截面的扫描电镜照片；

图5是NiO薄膜的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

具体实施方式一：本发明利用电致变色材料制备兼可用作超级电容器的智能窗的方法是按下列步骤实施：

1.基片的清洗：将导电基板ITO分别于丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗10min，除去其表面的灰尘及油脂，得到清洁的ITO基片，放入烘箱烘干。

2.WO₃薄膜的制备：向1mL 0.1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H₂O₂和0.1mol/L的硫酸1mL，得到浅黄色溶液。将处理过的ITO垂直置于溶液中作为负极，以不锈钢为正极，在恒电流1mA下沉积300s，得到WO₃薄膜。

3.NiO薄膜的制备：将0.1mol的硫酸镍和0.01mol的过硫酸钾加入超纯水磁力搅拌混合均匀，得到深绿色溶液。将聚酰亚胺胶带粘在ITO的非导电侧以防止该侧发生沉积。将处理过的ITO垂直置于溶液中，并向溶液中加入10mL氨水，剧烈搅拌，沉积得到薄膜，并用超纯水洗涤。除去胶带，将样品放入烘箱烘干，然后在300℃空气退火1h制备得到NiO薄膜。

4.凝胶电解质的制备：将0.1g高氯酸锂(LiClO₄)、1g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、3g碳酸丙烯酯(PC)和10g乙腈混合均匀，晾干后形成凝胶。

5.智能窗的组装与测试：将框架、滑片、电致变色控制系统和窗本体组合安装成智能窗。窗本体是由NiO/ITO层、凝胶电解质和WO₃/ITO层组成。连接电致变色控制系统和智能窗，进行测试。打开电压控制系统开关，对窗体施加-1V的电压，离子嵌入薄膜中，窗体颜色变为蓝黑色，断开电压控制系统开关，其颜色保持不变；当对窗体施加反向电压时，即+1V的电压，窗体退色至透明。

具体实施方式二：本发明利用电致变色材料制备兼可用作超级电容器的智能窗的方法是按下列步骤实施：

1.基片的清洗：将导电基板ITO分别于丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗20min，除去其表面的灰尘及油脂，得到清洁的ITO基片，放入烘箱烘干。

2.WO₃薄膜的制备：向50mL 0.5mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H₂O₂和0.5mol/L的硫酸50mL，得到浅黄色溶液。将处理过的ITO垂直置于溶液中作为负极，以不锈钢为正极，在恒电流5mA下沉积600s，得到WO₃薄膜。

3.NiO薄膜的制备：将0.5mol的硫酸镍和0.05mol的过硫酸钾加入超纯水磁力搅拌混合均匀，得到深绿色溶液。将聚酰亚胺胶带粘在ITO的非导电侧以防止该侧发生沉积。将处理过的ITO垂直置于溶液中，并向溶液中加入30mL氨水，剧烈搅拌，沉积得到薄膜，并用超纯水洗涤。除去胶带，将样品放入烘箱烘干，然后在350℃空气退火3h制备得到NiO薄膜。

4.凝胶电解质的制备：将0.5g高氯酸锂(LiClO₄)、3g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、6g碳酸丙烯酯(PC)和20g乙腈混合均匀，晾干后形成凝胶。

5.智能窗的组装与测试：将框架、滑片、电致变色控制系统和窗本体组合安装成智能窗。窗本体是由NiO/ITO层、凝胶电解质和WO₃/ITO层组成。连接电致变色控制系统和智能窗，进行测试。打开电压控制系统开关，对窗体施加-2V的电压，离子嵌入薄膜中，窗体颜色变为蓝黑色，断开电压控制系统开关，其颜色保持不变；当对窗体施加反向电压时，即+2V的电压，窗体退色至透明。

具体实施方式三：本发明利用电致变色材料制备兼可用作超级电容器的智能窗的方法是按下列步骤实施：

1.基片的清洗：将导电基板ITO分别于丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗30min，除去其表面的灰尘及油脂，得到清洁的ITO基片，放入烘箱烘干。

2.WO₃薄膜的制备：向100mL 1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H₂O₂和1mol/L的硫酸100mL，得到浅黄色溶液。将处理过的ITO垂直置于溶液中作为负极，以不锈钢为正极，在恒电流10mA下沉积1000s，得到WO₃薄膜。

3.NiO薄膜的制备：将1mol的硫酸镍和0.1mol的过硫酸钾加入超纯水磁力搅拌混合均匀，得到深绿色溶液。将聚酰亚胺胶带粘在ITO的非导电侧以防止该侧发生沉积。将处理过的ITO垂直置于溶液中，并向溶液中加入50mL氨水，剧烈搅拌，沉积得到薄膜，并用超纯水洗涤。除去胶带，将样品放入烘箱烘干，然后在400℃空气退火5h制备得到NiO薄膜。

4.凝胶电解质的制备：将1g高氯酸锂(LiClO₄)、6g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、10g碳酸丙烯酯(PC)和30g乙腈混合均匀，晾干后形成凝胶。

5.智能窗的组装与测试：将框架、滑片、电致变色控制系统和窗本体组合安装成智能窗。窗本体是由NiO/ITO层、凝胶电解质和WO₃/ITO层组成。连接电致变色控制系统和智能窗，进行测试。打开电压控制系统开关，对窗体施加-3V的电压，离子嵌入薄膜中，窗体颜色变为蓝黑色，断开电压控制系统开关，其颜色保持不变；当对窗体施加反向电压时，即+3V的电压，窗体退色至透明。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电致变色智能窗，其特征在于：窗本体是由NiO/ITO层、凝胶电解质和WO₃/ITO层组成。

2.如权利要求1所述的电致变色智能窗，其特征在于：所述智能窗由上至下依次为玻璃、ITO层、NiO薄膜层、凝胶电解质层、WO₃薄膜层、ITO层、玻璃。

3.一种电致变色智能窗的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、将导电基板ITO分别于丙酮、甲醇、超纯水中超声清洗10～30min，除去其表面的灰尘及油脂，得到清洁的ITO基片，放入烘箱烘干；

步骤二、用电化学法制备WO₃薄膜：向1～100mL 0.1～1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H₂O₂和0.1～1mol/L的硫酸1～100mL，得到浅黄色溶液；将处理过的ITO垂直置于溶液中作为负极，以不锈钢为正极，在恒电流1～10mA下沉积300～1000s，得到WO₃薄膜；

步骤三、用化学浴沉积法制备氧化镍(NiO)薄膜：将0.1～1mol的硫酸镍和0.01～0.1mol的过硫酸钾加入超纯水磁力搅拌混合均匀，得到深绿色溶液；将聚酰亚胺胶带粘在ITO的非导电侧以防止该侧发生沉积；将处理过的ITO垂直置于溶液中，并向溶液中加入10～50mL氨水，剧烈搅拌，沉积得到薄膜，并用超纯水洗涤；除去聚酰亚胺胶带，将样品放入烘箱烘干，然后在300～400℃空气退火1～5h制备得到NiO薄膜；

步骤四、凝胶电解质的制备：将0.1～1g高氯酸锂(LiClO₄)、1～6g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、3～10g碳酸丙烯酯(PC)和10～30g乙腈混合均匀，晾干后形成凝胶；

步骤五、组装电致变色智能窗：组装框架、滑片、电致变色控制系统和窗本体从而得到电致变色智能窗；其中，窗本体是由WO₃/ITO层、凝胶电解质和NiO/ITO层组成。