CN109143716A - 可见-近红外光电致变色复合材料、其制备方法及应用 - Google Patents

可见-近红外光电致变色复合材料、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可见‑近红外光电致变色复合材料、其制备方法及应用。该复合材料包括：第一结构层，包含可见光电致变色材料，并能在第一电压下工作而阻止可见光透过复合材料，与第一结构层结合的第二结构层，包含近红外光电致变色材料，并能在第二电压下工作而阻止近红外光透过复合材料；第一结构层和第二结构层中的至少一者内设置有离子通道，离子通道用以在将复合材料与电解液接触时，使电解液离子进入第一结构层及第二结构层。该复合材料能满足两种电致变色材料各自独立工作，通过选择合适电压，该复合材料能实现对可见光和近红外光的独立调控，得到亮热、暗热、亮冷和暗冷四种模式，丰富的调制模式可以满足人们对舒适度的更高要求。

Description

可见-近红外光电致变色复合材料、其制备方法及应用
技术领域
本发明具体涉及一种可见光与近红外光独立可调的新型电致变色复合材料、其制备方法及应用，其可以实现亮度和热量的独立调控。
背景技术
电致变色是电致变色材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。由电致变色材料做成的电致变色器件已经广泛应用于智能窗、汽车观后镜、电致变色显示器等。其中应用最为广泛的就是电致变色智能窗，它可以通过改变电压而使窗户呈现不同的透明度，以达到人们最舒适的光线环境。例如美国波音B787客机的舷窗上使用的调光玻璃等等。然而那些传统的电致变色玻璃只有两种调制模式，即光照可通过的亮模式和光不能通过的暗模式。而太阳光主要由含大量热量的近红外光和可见光组成，如果我们能够单独调控可见光和近红外光的透过与不透过，那么我们可以得到可见光近红外光都能透过的亮热模式，可见光可透过近红外光不能透过的暗热模式，以及亮冷模式，暗冷模式。更加功能化的新型智能窗显然更能满足人们多样化的需求，这样不仅可以节约建筑的能源使用，还能提高人们的舒适度，如冬天可以选择热模式下的亮暗两种模式，夏天则可以选择冷模式下的亮暗两种模式。
然而，独立可调可见-近红外光电致变色是新起的方向，目前研究较少。仅有DeliaJ.Milliron等对独立可调可见-近红外光电致变色进行了研究，但已经报道的独立可调可见-近红外光电致变色纳米晶的制备方法都极其复杂，且产率低下，成本很高，电致变色调制范围不够大，这些弊端都限制了可见-近红外光独立可调电致变色器件的实际应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可见光与近红外光独立可调的新型电致变色复合材料、其制备方法及应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种可见-近红外光电致变色复合材料，包括：
第一结构层，包含可见光电致变色材料，并至少能够在第一电压下工作而阻止可见光透过所述复合材料，
与第一结构层结合的第二结构层，包含近红外光电致变色材料，并至少能够在第二电压下工作而阻止近红外光透过所述复合材料，所述第一电压与第二电压不同；
并且，所述第一结构层和第二结构层中的至少一者内设置有离子通道，所述离子通道用以在将所述复合材料与电解液接触时，使来源于所述电解液的离子能进入所述第一结构层及第二结构层。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层和第二结构层在第三电压下均不工作，并且所述第一结构层和第二结构层在第四电压下均工作，其中，所述第一电压、第二电压、第三电压和第四电压中的任意两者均不相同。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层由可见光电致变色材料组成；和/或，所述第二结构层由近红外光电致变色材料组成。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色复合材料电极，包括：所述的可见-近红外光电致变色复合材料；以及，与所述可见-近红外光电致变色复合材料结合的透明电极。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色复合材料电极的制备方法，包括：
提供透明电极，以及
在所述透明电极上设置第一结构层和第二结构层；
其中，所述第一结构层包含可见光电致变色材料，并至少能够在第一电压下工作而阻止可见光透过所述复合材料电极，所述第二结构层包含近红外光电致变色材料，并至少能够在第二电压下工作而阻止近红外光透过所述复合材料电极，所述第一电压与第二电压不同，并且所述第一结构层和第二结构层中的至少一者内设置有离子通道，所述离子通道用以在将所述复合材料电极与电解液接触时，使来源于所述电解液的离子能进入所述第一结构层及第二结构层。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色系统，包括：
所述的可见-近红外光电致变色复合材料电极；
与所述可见-近红外光电致变色复合材料电极配合的电解液；以及
电源，至少用以向所述可见-近红外光电致变色复合材料电极施加可调电压。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色系统的调制方法，包括：
提供所述的可见-近红外光电致变色系统；
向所述复合材料电极施加第一电压，使第一结构层工作并使第二结构层不工作，
或者，向所述复合材料电极施加第二电压，使第一结构层不工作并使第二结构层工作，
或者，向所述复合材料电极施加第三电压，使第一结构层和第二结构层均不工作，
或者，向所述复合材料电极施加第四电压，使第一结构层和第二结构层均工作。
与现有技术相比，本发明通过将可见光电致变色材料层和近红外光电致变色材料按照独特的方式复合形成可见-近红外光电致变色复合材料，通过电压的选择，可以实现可见光和近红外光的独立调控，最终得到全部的四种调节模式，包括可见光和近红外光都能通过的亮热模式、可见光能透过近红外光不能透过的亮冷模式、可见光不能透过近红外光能透过的暗热模式、可见光和近红外光都不能透过的暗冷模式，从而丰富的调制模式以满足人们对舒适度的更高要求，且制备工艺简单，成本低廉，适于规模化生产和应用。
附图说明
图1为本发明一典型实施例提供的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极的结构示意图；
图2为本发明一典型实施例提供的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极的功能示意图；
图3为本发明一实施例提供的W18O49/普鲁士蓝复合电极在不同电压下的可见-近红外光透过率曲线；
图4为本发明一实施例提供的W18O49/普鲁士蓝复合电极在不同电压下的照片；
图5为本发明一实施例提供的W18O49/普鲁士蓝复合电极的循环稳定性测试图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种可见-近红外光电致变色复合材料，包括：
第一结构层，包含可见光电致变色材料，并至少能够在第一电压下工作而阻止可见光透过所述复合材料电极，
与第一结构层结合的第二结构层，包含近红外光电致变色材料，并至少能够在第二电压下工作而阻止近红外光透过所述复合材料电极，所述第一电压与第二电压不同；
并且，所述第一结构层和第二结构层中的至少一者内设置有离子通道，所述离子通道用以在将所述复合材料电极与电解液接触时，使来源于所述电解液的离子能进入所述第一结构层及第二结构层。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层的厚度为200～800nm。
在一些优选实施方案中，所述第二结构层的厚度为200～800nm。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层和第二结构层在第三电压下均不工作，并且所述第一结构层和第二结构层在第四电压下均工作，且其中任意两者均不相同。
优选的，所述第一电压、第二电压、第三电压、第四电压均在-3～3V范围中。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层与第二结构层层叠设置。
在一些优选实施方案中，所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层中的一条以上液流通道，并且所述液流通道还与外界连通。
在一些优选实施方案中，所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层内部的晶格通道。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层由可见光电致变色材料组成。
在一些优选实施方案中，所述第二结构层由近红外光电致变色材料组成。
在一些优选实施方案中，所述可见光电致变色材料至少选自W18O49、WO3、TiO2、NiO、NbOx、普鲁士蓝或聚苯胺，且不限于此。
在一些优选实施方案中，所述近红外电致变色材料至少选自W18O49、WO3或ITO纳米晶，且不限于此。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色复合材料电极，包括：所述的可见-近红外光电致变色复合材料；以及，与所述可见-近红外光电致变色复合材料结合的透明电极。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层与第二结构层层叠设置在透明电极上。
在一些优选实施方案中，所述透明电极包括FTO玻璃，且不限于此。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色复合材料电极的制备方法，包括：
提供透明电极，以及
在所述透明电极上设置第一结构层和第二结构层；
其中，所述第一结构层包含可见光电致变色材料，并至少能够在第一电压下工作而阻止可见光透过所述复合材料电极，所述第二结构层包含近红外光电致变色材料，并至少能够在第二电压下工作而阻止近红外光透过所述复合材料电极，所述第一电压与第二电压不同，并且所述第一结构层和第二结构层中的至少一者内设置有离子通道，所述离子通道用以在将所述复合材料电极与电解液接触时，使来源于所述电解液的离子能进入所述第一结构层及第二结构层。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层的厚度为200～800nm。
在一些优选实施方案中，所述第二结构层的厚度为200～800nm。
在一些优选实施方案中，该制备方法包括：
于透明电极上设置所述第一结构层和第二结构层中选定的一者；以及
于所述选定的一者上层叠设置所述第一结构层和第二结构层中的另一者。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层和第二结构层在第三电压下均不工作，并且所述第一结构层和第二结构层在第四电压下均工作，且其中任意两者均不相同。所述第一电压、第二电压、第三电压、第四电压均可在-3～3V范围中取值。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层与第二结构层层叠设置在透明电极上。
在一些优选实施方案中，所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层中的一条以上液流通道，并且所述液流通道还与外界连通。
在一些优选实施方案中，所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层内部的晶格通道。
在一些优选实施方案中，所述第一结构层由可见光电致变色材料组成。
在一些优选实施方案中，所述第二结构层由近红外光电致变色材料组成。
在一些优选实施方案中，所述可见光电致变色材料至少选自W18O49、WO3、TiO2、NiO、NbOx、普鲁士蓝或聚苯胺，且不限于此。
在一些优选实施方案中，所述近红外电致变色材料至少选自W18O49、WO3或ITO纳米晶，且不限于此。
进一步的，所述透明电极包括FTO玻璃等，但不限于此。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色系统，包括：
所述的可见-近红外光电致变色复合材料电极；
与所述可见-近红外光电致变色复合材料电极配合的电解液；以及
电源，至少用以向所述可见-近红外光电致变色复合材料电极施加可调电压。
本发明实施例还提供了一种可见-近红外光电致变色系统的调制方法，包括：
提供权利要求所述的可见-近红外光电致变色系统；
向所述复合材料电极施加第一电压，使第一结构层工作并使第二结构层不工作，
或者，向所述复合材料电极施加第二电压，使第一结构层不工作并使第二结构层工作，
或者，向所述复合材料电极施加第三电压，使第一结构层和第二结构层均不工作，
或者，向所述复合材料电极施加第四电压，使第一结构层和第二结构层均工作。
本发明的可见-近红外光电致变色复合材料在应用时，通过电压的选择，可以实现可见光和近红外光的独立调控，最终得到全部的四种调节模式，包括可见光和近红外光都能通过的亮热模式、可见光能透过近红外光不能透过的亮冷模式、可见光不能透过近红外光能透过的暗热模式、可见光和近红外光都不能透过的暗冷模式，调制模式丰富，调制方法简单易行。
以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1
参见图1所示，本实施例1公开的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极包括FTO玻璃1以及层叠设于FTO玻璃1上的第二结构层2和第一结构层3，其中，所述第一结构层3为W18O49层(近红外光电致变色材料层)，所述第二结构层2为普鲁士蓝(PB)层(可见光电致变色材料层)，第一、第二结构层的厚度均优选设置在200～800nm范围内，并且至少在第一结构层3内形成有离子通道31。
前述的可见-近红外光电致变色复合材料电极的制备方法如下：
水热法生长W18O49层：
将准备好的基底FTO玻璃垂直放置在反应釜的聚四氟乙烯内胆中，称取0.099gWCl6溶于30mL溶剂(乙醇)中，搅拌均匀后，转移到水热釜中。在180℃反应12h后，使反应釜自然降温至室温，转移出已生长有W18O49纳米线的FTO玻璃，并分别用乙醇和去离子水洗净后，置于烘箱中，60℃真空干燥，从而形成位于里层的W18O49层；
电化学沉积普鲁士蓝(PB)层：
恒电位法沉积，在50mL的烧杯中装有10mM K3Fe(CN)6、10mM FeCl3和50mM KCl的水溶液，采用三电极体系，将生长有W18O49纳米线的FTO玻璃(即W18O49层)作工作电极，Pt电极作对电极，Ag/AgCl作参比电极，+0.8V恒电位沉积5min后，在W18O49层上形成普鲁士蓝(PB)层，用去离子水洗净，置于烘箱中，60℃真空干燥，从而形成W18O49/普鲁士蓝复合材料电极；
将制备好的可见-近红外光电致变色复合材料电极测试电致变色性能，电解液采用1M LiClO4的PC电解液。
图3为不同电压下的光学透过率，所述可见-近红外光电致变色复合材料电极表现出优异的双波段电致变色调制，实现了可见光与近红外光的独立调控。参见图2所示，当在1V电压下，该可见-近红外光电致变色复合材料电极阻碍可见光(400～800nm)透过而仅允许近红外光(>800nm)透过，因此此时的状态是暗热模式；当在电压0.1V下，该可见-近红外光电致变色复合材料电极允许可见光和近红外光都通过，因此此时的状态是亮热模式；当在-0.8V电压下，该可见-近红外光电致变色复合材料电极允许可见光透过而阻碍近红外光透过，因此此时的状态是亮冷模式；当在-1.5V电压下，该可见-近红外光电致变色复合材料电极阻止可见光和近红外光同时透过，因此此时的状态是暗冷模式。
通过调节不同的电压，所述的可见-近红外光电致变色复合材料电极能够实现可见-近红外光的完全独立控制。W18O49/普鲁士蓝复合材料表现出可见光633nm波段处最高71.2％的调制率，近红外光1400nm处最高64.8％的调制率。图4是四种模式下的相应的光学照片。图5是W18O49/普鲁士蓝复合材料实现可见-近红外光的独立调控的稳定性测试。使用阶跃电压，-0.1V/1V电压测试633nm处波长透过率；-0.1V/-1.5V电压测试1400nm处波长透过率，脉冲时间都为30s。可以看到，经过100次循环后，W18O49/普鲁士蓝复合材料电极的性能并没有较大下降。
实施例2
请继续参见图1所示，本实施例2公开的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极包括FTO玻璃1，以及层叠设于FTO玻璃1上的第二结构层2和第一结构层3，其中，所述第一结构层3为WO3层，所述第二结构层2为普鲁士蓝(PB)层，第一、第二结构层的厚度均优选设置在200～800nm范围内，并且至少在第一结构层3内设置有离子通道31。本实施例2的可见-近红外光电致变色复合材料电极可以采用与实施例1相似的方式制备，且其工作过程也与实施例1基本相同。
实施例3
请继续参见图1所示，本实施例3公开的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极包括FTO玻璃1以及层叠设于FTO玻璃1上的第二结构层2和第一结构层3，其中，所述第一结构层3为ITO纳米晶层，所述第二结构层2为普鲁士蓝(PB)层，并且至少在第一结构层3内设置有离子通道31。本实施例3的可见-近红外光电致变色复合材料电极可以采用与实施例1相似的方式制备，且其工作过程也与实施例1基本相同。
实施例4
请继续参见图1所示，本实施例4公开了一种可见-近红外光电致变色复合材料电极包括FTO玻璃1以及层叠设于FTO玻璃1上的第二结构层2和第一结构层3，其中，所述第一结构层3为ITO纳米晶材料层，所述第二结构层2为NbOx层，并且至少在第一结构层3内设置有离子通道31。本实施例4的可见-近红外光电致变色复合材料电极可以采用与实施例1相似的方式制备，且其工作过程也与实施例1基本相同。
实施例5
请继续参见图1所示，本实施例5公开的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极包括FTO玻璃1以及层叠设于FTO玻璃1上的第二结构层2和第一结构层3，其中，所述第一结构层3为ITO纳米晶材料层，所述第二结构层2为NiO层，并且至少在第一结构层3内设置有离子通道31。本实施例5的可见-近红外光电致变色复合材料电极可以采用与实施例1相似的方式制备，且其工作过程也与实施例1基本相同。
实施例6
请继续参见图1所示，本实施例6公开的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极包括FTO玻璃1以及层叠设于FTO玻璃1上的第二结构层2和第一结构层3，其中，所述第一结构层3为ITO纳米晶材料层，所述第二结构层2为TiO2层，并且至少在第一结构层3内设置有离子通道31。本实施例6的可见-近红外光电致变色复合材料电极可以采用与实施例1相似的方式制备，且其工作过程也与实施例1基本相同。
实施例7
请继续参见图1所示，本实施例7公开的一种可见-近红外光电致变色复合材料电极包括FTO玻璃1以及层叠设于FTO玻璃1上的第二结构层2和第一结构层3，其中，所述第一结构层3为ITO纳米晶材料层，所述第二结构层2为WO3层，并且至少在所述第一结构层3内设置有离子通道31。本实施例7的可见-近红外光电致变色复合材料电极可以采用与实施例1相似的方式制备，且其工作过程也与实施例1基本相同。
需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种可见-近红外光电致变色复合材料，其特征在于包括：
第一结构层，包含可见光电致变色材料，并至少能够在第一电压下工作而阻止可见光透过所述复合材料，
与第一结构层结合的第二结构层，包含近红外光电致变色材料，并至少能够在第二电压下工作而阻止近红外光透过所述复合材料，所述第一电压与第二电压不同；
并且，所述第一结构层和第二结构层中的至少一者内设置有离子通道，所述离子通道用以在将所述复合材料与电解液接触时，使来源于所述电解液的离子能进入所述第一结构层及第二结构层。
2.根据权利要求1所述的可见-近红外光电致变色复合材料，其特征在于：所述第一结构层的厚度为200～800nm，和/或，所述第二结构层的厚度为200～800nm。
3.根据权利要求1所述的可见-近红外光电致变色复合材料，其特征在于：所述第一结构层和第二结构层在第三电压下均不工作，并且所述第一结构层和第二结构层在第四电压下均工作；所述第一电压、第二电压、第三电压和第四电压中的任意两者均不相同；优选的，所述第一电压、第二电压、第三电压和第四电压为-3～3V。
4.根据权利要求1所述的可见-近红外光电致变色复合材料，其特征在于：所述第一结构层与第二结构层层叠设置。
5.根据权利要求4所述的可见-近红外光电致变色复合材料，其特征在于：所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层中的一条以上液流通道，并且所述液流通道还与外界连通；和/或，所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层内部的晶格通道。
6.根据权利要求1所述的可见-近红外光电致变色复合材料，其特征在于：所述第一结构层由可见光电致变色材料组成；和/或，所述第二结构层由近红外光电致变色材料组成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的可见-近红外光电致变色复合材料，其特征在于：所述可见光电致变色材料至少选自W18O49、WO3、TiO2、NiO、NbOx、普鲁士蓝或聚苯胺；和/或，所述近红外电致变色材料至少选自W18O49、WO3或ITO纳米晶。
8.一种可见-近红外光电致变色复合材料电极，其特征在于包括：权利要求1-7中任一项所述的可见-近红外光电致变色复合材料；以及，与所述可见-近红外光电致变色复合材料结合的透明电极。
9.根据权利要求8所述的可见-近红外光电致变色复合材料电极，其特征在于：所述第一结构层与第二结构层层叠设置在透明电极上。
10.根据权利要求8或9所述的可见-近红外光电致变色复合材料电极，其特征在于：所述透明电极包括FTO玻璃。
11.一种可见-近红外光电致变色复合材料电极的制备方法，其特征在于包括：
提供透明电极，以及
在所述透明电极上设置第一结构层和第二结构层；
其中，所述第一结构层包含可见光电致变色材料，并至少能够在第一电压下工作而阻止可见光透过所述复合材料电极，所述第二结构层包含近红外光电致变色材料，并至少能够在第二电压下工作而阻止近红外光透过所述复合材料电极，所述第一电压与第二电压不同，并且所述第一结构层和第二结构层中的至少一者内设置有离子通道，所述离子通道用以在将所述复合材料电极与电解液接触时，使来源于所述电解液的离子能进入所述第一结构层及第二结构层。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述第一结构层的厚度为200～800nm，和/或，所述第二结构层的厚度为200～800nm。
13.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于包括：
于透明电极上设置所述第一结构层和第二结构层中选定的一者；以及
于所述选定的一者上层叠设置所述第一结构层和第二结构层中的另一者。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述第一结构层和第二结构层在第三电压下均不工作，并且所述第一结构层和第二结构层在第四电压下均工作；所述第一电压、第二电压、第三电压和第四电压中的任意两者均不相同；优选的，所述第一电压、第二电压、第三电压和第四电压为-3～3V。
15.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述第一结构层与第二结构层层叠设置在透明电极上。
16.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层中的一条以上液流通道，并且所述液流通道还与外界连通；和/或，所述离子通道包括形成于第一结构层和/或第二结构层内部的晶格通道。
17.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述第一结构层由可见光电致变色材料组成；和/或，所述第二结构层由近红外光电致变色材料组成。
18.根据权利要求11-17中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述可见光电致变色材料至少选自W18O49、WO3、TiO2、NiO、NbOx、普鲁士蓝或聚苯胺；和/或，所述近红外电致变色材料至少选自W18O49、WO3或ITO纳米晶；和/或，所述透明电极包括FTO玻璃。
19.一种可见-近红外光电致变色系统，其特征在于包括：
权利要求8-10中任一项所述的可见-近红外光电致变色复合材料电极；
与所述可见-近红外光电致变色复合材料电极配合的电解液；以及
电源，至少用以向所述可见-近红外光电致变色复合材料电极施加可调电压。
20.一种可见-近红外光电致变色系统的调制方法，其特征在于包括：
提供权利要求19所述的可见-近红外光电致变色系统；
向所述复合材料电极施加第一电压，使第一结构层工作并使第二结构层不工作，
或者，向所述复合材料电极施加第二电压，使第一结构层不工作并使第二结构层工作，
或者，向所述复合材料电极施加第三电压，使第一结构层和第二结构层均不工作，
或者，向所述复合材料电极施加第四电压，使第一结构层和第二结构层均工作。
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