CN107033892A - 一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料，具有核壳结构，三氧化钨纳米棒为核，聚噻吩为壳，三氧化钨纳米棒直径为50‑100nm，聚噻吩为多孔结构，厚度为2‑10nm，平均孔径为2‑3nm，均匀包覆在三氧化钨纳米棒上，本发明利用电化学工作站和三电极体系以电化学聚合的方式将噻吩单体聚合在溶剂热处理后的FTO导电玻璃表面，从而制备得到电致变色材料。本发明中三氧化钨纳米棒垂直于基底且生长分布均匀，聚噻吩为多孔结构均匀包覆在纳米棒周围，形成新颖的核壳结构，该材料具有优异的电致变色性能，可以在不同电压下实现透明和深蓝色的迅速可逆转变，并具有良好的循环稳定性，可用作隐身材料和智能变色薄膜。

Description

一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电致变色薄膜领域,具体一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料及其制备方法。
背景技术
电致变色现象指的是材料的颜色在外界电场下发生可逆变化的现象。由于电致变色材料在隐身材料、智能变色薄膜等领域应用前景巨大，近年来越来越受到人们的重视。过渡族金属氧化物是一种研究最广泛的电致变色材料，其中晶态氧化钨通常颜色单一、具有较出色的化学稳定性和热稳定性，在正负电压转化下能实现从透明到蓝色的可逆变化，而且相较于其他的过渡族金属氧化物，氧化钨拥有更好的变色效率和稳定性且毒性较低。但是氧化钨的变色响应时间很慢，通常需要几十秒，因此限制了它的实际应用，而有机材料具有响应速率快的优点，但是颜色单一性不理想，且化学稳定性不好。因此制备有机无机杂化结构材料是提高电致变色性能的一种行之有效的方法，聚3,4-乙撑二氧噻吩是一种常见的导电聚合物，在响应快速的同时它和氧化钨同属于阴极着色材料且着色态对可见光的反射波长和氧化钨相近，两者的结合不仅能大大缩短响应时间还能在对比度方面获得巨大提升。独特的具有晶体结构与形状各向异性的氧化钨纳米棒和多孔结构聚噻吩增加样品的活性比表面积，加速电子传输，显著增强变色反应的动力学过程，从而提升材料的电致变色性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控的电致变色材料及其制备方法，在不提前制备子晶的情况下可以在FTO导电玻璃上直接通过两步法得到致密均匀的多孔聚噻吩/单晶三氧化钨纳米棒核壳结构电致变色材料。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料，具有核壳结构，三氧化钨纳米棒为核，聚噻吩为壳，三氧化钨纳米棒直径为50-100nm，聚噻吩为多孔结构，厚度为2-10nm，平均孔径为2-3nm，均匀包覆在三氧化钨纳米棒上。
进一步地，聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料，能够实现透明和深蓝色之间的快速可逆变化。
一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将FTO导电玻璃依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，清洗完后放在红外灯下烤干；
(2)配制过氧钨酸溶液：向0.16mol/L的钨酸分散液中加入30％过氧化氢，钨酸与30％过氧化氢的体积比为3:1，搅拌至溶液澄清，然后用去离子水稀释溶液至含钨浓度为0.05-0.1mol/L，此稀释后的溶液为过氧钨酸溶液；
(3)配制前驱体溶液：将步骤(2)制备的过氧钨酸与乙腈，去离子水配制混合溶液，其中过氧钨酸、乙腈和去离子水的体积比1:4:1，然后用6mol/L的盐酸将混合溶液的pH调至0.5-1，配成前驱体溶液；
(4)将步骤(3)配制的前驱体溶液加入到高压反应釜中，将FTO导电玻璃竖直浸泡固定于前驱体溶液中，将高压反应釜加热到180℃，保持6-12h；
(5)将步骤(1)处理过的FTO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，将高氯酸锂和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于碳酸丙烯酯溶液中作为聚合电解液，先将工作电极浸泡在聚合电解液中8h，超声20min，再施加0.6V电压处理10-60秒，最后对工作电极进行恒电流沉积；
(6)将步骤(5)得到的产物用乙醇和去离子水分别漂洗后放在滤纸上用红外灯烤干，在FTO导电玻璃上得到致密均匀的透明薄膜，即为聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料。
优选地，步骤(1)的具体过程如下：将FTO导电玻璃依次置于装有丙酮、乙醇、去离子水的烧杯中并分别超声8-12min，之后放在滤纸上用红外灯烤干。
优选地，高压反应釜的加热速率为8℃/min。
优选地，步骤(5)中的高氯酸锂浓度为0.2mol/L，3,4-乙撑二氧噻吩单体浓度为0.1mol/L。
优选地，步骤(5)中恒电流沉积的沉积电流为2.5mA/cm2-3.5mA/cm2,沉积时间为10s-20s。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明电致变色材料具有有序纳米棒阵列，多孔结构，可有效提高电子传输速度和粒子扩散速率，加快反应动力学过程，降低薄膜褪色电压，大幅提高电致变色材料的响应速度和循环稳定性；
2、两种着色态颜色相近的阴极着色材料可同时进入着色态和褪色态，大大提高了电致变色材料的对比度；
3、三氧化钨和聚噻吩的有机/无机界面得到有效杂化，起到优势互补的作用；
4、本发明的制备方法具有简单、稳定、尺寸、膜厚度可控的特点，有利于大规模工业化生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
图1为本发明中实施例2所制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的电镜扫描图；
图2为本发明中实施例2所制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料不同分辨率下的透射电镜形貌图；
图3为本发明中实施例2所制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料透射电镜高分辨图；
图4为本发明中实施例2所制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料透射电镜聚噻吩多孔特征透射电镜形貌图；
图5为本发明中实施例2所制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料透射电镜暗场像及电子能谱图；
图6为本发明中实施例1所制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料动力学电致变色性能示意图(633nm±1v)。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将FTO导电玻璃依次置于装有丙酮、乙醇、去离子水的烧杯中并分别超声10min，之后放在滤纸上用红外灯烤干；
(2)配制过氧钨酸溶液：将1.25g钨酸通过加热搅拌溶于30mL去离子水中，然后向其中添加10mL质量分数为30％的过氧化氢，搅拌至溶液澄清，然后用去离子水稀释溶液至含钨浓度为0.05mol/L，此稀释后的溶液为过氧钨酸溶液；
(3)配制前驱体溶液：将步骤(2)制备的过氧钨酸11mL，乙腈44mL，去离子水11mL配成混合溶液，，然后用6mol/L的盐酸将混合溶液的pH调至1，配成前驱体溶液；
(4)将步骤(3)配制的前驱体溶液加入到高压反应釜中，将FTO导电玻璃竖直浸泡固定于前驱体溶液中，将高压反应釜加热到180℃，保持12h，高压反应釜的加热速率为8℃/min；
(5)将步骤(1)处理过的FTO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，将高氯酸锂和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于碳酸丙烯酯溶液中作为聚合电解液，先将工作电极浸泡在聚合电解液中8h，超声20min，再施加0.6V电压处理30秒，最后对工作电极进行恒电流沉积；其中，高氯酸锂浓度为0.2mol/L，3,4-乙撑二氧噻吩单体浓度为0.1mol/L，恒电流沉积的沉积电流为2.5mA/cm2，沉积时间为10s；
(6)将步骤(5)得到的产物用乙醇和去离子水分别漂洗后放在滤纸上用红外灯烤干，在FTO导电玻璃上得到致密均匀的透明薄膜，即为聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料。
本实施例制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料，具有核壳结构，三氧化钨纳米棒为核，聚噻吩为壳，三氧化钨纳米棒直径为50-100nm，聚噻吩为多孔结构，厚度为2-10nm，平均孔径为2-3nm，均匀包覆在三氧化钨纳米棒上。本实施例制备的电致变色材料动力学图谱如图6所示，此电致变色材料的对比度达到45％，着色时间2.4s，褪色时间为1.2s。
实施例2
一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将FTO导电玻璃依次置于装有丙酮、乙醇、去离子水的烧杯中并分别超声10min，之后放在滤纸上用红外灯烤干；
(2)配制过氧钨酸溶液：将1.25g钨酸通过加热搅拌溶于30mL去离子水中，然后向其中添加10mL质量分数为30％的过氧化氢，搅拌至溶液澄清，然后用去离子水稀释溶液至含钨浓度为0.05mol/L，此稀释后的溶液为过氧钨酸溶液；
(3)配制前驱体溶液：将步骤(2)制备的过氧钨酸11mL，乙腈44mL，去离子水11mL配成混合溶液，，然后用6mol/L的盐酸将混合溶液的pH调至1，配成前驱体溶液；
(4)将步骤(3)配制的前驱体溶液加入到高压反应釜中，将FTO导电玻璃竖直浸泡固定于前驱体溶液中，将高压反应釜加热到180℃，保持6h，高压反应釜的加热速率为8℃/min；
(5)将步骤(1)处理过的FTO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，将高氯酸锂和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于碳酸丙烯酯溶液中作为聚合电解液，先将工作电极浸泡在聚合电解液中8h，超声20min，再施加0.6V电压处理30秒，最后对工作电极进行恒电流沉积；其中，高氯酸锂浓度为0.2mol/L，3,4-乙撑二氧噻吩单体浓度为0.1mol/L，恒电流沉积的沉积电流为2.5mA/cm2，沉积时间为20s；
(6)将步骤(5)得到的产物用乙醇和去离子水分别漂洗后放在滤纸上用红外灯烤干，在FTO导电玻璃上得到致密均匀的透明薄膜，即为聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料。
本实施例制备的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料，具有核壳结构，如图1-3所示，图2的透射形貌图和图3的高分辨图片显示出纳米棒外面存在一层无定型包裹层，图5的元素分析则证明包裹层是步骤(5)制备的聚噻吩层，三氧化钨纳米棒为核，聚噻吩为壳，三氧化钨纳米棒直径为50-100nm，聚噻吩为多孔结构，如图1-4所示；通过高能电子束能清晰的看出材料表面的空隙，聚噻吩平均孔径为2-3nm，聚噻吩层厚度为2-10nm，均匀包覆在三氧化钨纳米棒上。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料，其特征在于：所述电致变色材料具有核壳结构，三氧化钨纳米棒为核，聚噻吩为壳，三氧化钨纳米棒直径为50-100nm，聚噻吩为多孔结构，厚度为2-10nm，平均孔径为2-3nm，均匀包覆在三氧化钨纳米棒上。
2.根据权利要求1所述的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料，其特征在于，能够实现透明和深蓝色之间的快速可逆变化。
3.一种聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将FTO导电玻璃依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，清洗完后放在红外灯下烤干；
(2)配制过氧钨酸溶液：向0.16mol/L的钨酸分散液中加入30％过氧化氢，钨酸与30％过氧化氢的体积比为3:1，搅拌至溶液澄清，然后用去离子水稀释溶液至含钨浓度为0.05-0.1mol/L，此稀释后的溶液为过氧钨酸溶液；
(3)配制前驱体溶液：将步骤(2)制备的过氧钨酸与乙腈，去离子水配制混合溶液，其中过氧钨酸、乙腈和去离子水的体积比1:4:1，然后用6mol/L的盐酸将混合溶液的pH调至0.5-1，配成前驱体溶液；
(4)将步骤(3)配制的前驱体溶液加入到高压反应釜中，将FTO导电玻璃竖直浸泡固定于前驱体溶液中，将高压反应釜加热到180℃，保持6-12h；
(5)将步骤(1)处理过的FTO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，将高氯酸锂和3,4-乙撑二氧噻吩单体溶于碳酸丙烯酯溶液中作为聚合电解液，先将工作电极浸泡在聚合电解液中8h，超声20min，再施加0.6V电压处理10-60秒，最后对工作电极进行恒电流沉积；
(6)将步骤(5)得到的产物用乙醇和去离子水分别漂洗后放在滤纸上用红外灯烤干，在FTO导电玻璃上得到致密均匀的透明薄膜，即为聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料。
4.根据权利要求3所述的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：将FTO导电玻璃依次置于装有丙酮、乙醇、去离子水的烧杯中并分别超声8-12min，之后放在滤纸上用红外灯烤干。
5.根据权利要求3所述的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，其特征在于，高压反应釜的加热速率为8℃/min。
6.根据权利要求3所述的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的高氯酸锂浓度为0.2mol/L，3,4-乙撑二氧噻吩单体浓度为0.1mol/L。
7.根据权利要求3所述的聚噻吩/三氧化钨纳米棒电致变色材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中恒电流沉积的沉积电流为2.5mA/cm2-3.5mA/cm2,沉积时间为10s-20s。
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