CN110803707B - 一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法 - Google Patents

一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，包括以下步骤：制备复合物介晶模板、制备钛掺杂多级孔二氧化硅微球、清洗工作电极、制备电化学沉积液、恒电位沉积，制备得到钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜。本发明通过在纳米氧化钨薄膜中引入钛掺杂多级孔二氧化硅，制备的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜相较于纯纳米氧化钨薄膜，其具有明显的多孔结构，显著提高了复合薄膜的比表面积，而且钛的引入为复合薄膜提供了活性位点，缩短了离子与电子在其内部的扩散路径，利于离子与电子的快速嵌入与脱出，有效的提高了复合薄膜的的光学调制范围、着色效率和循环稳定性。

Description

一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜 的制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料及电致变色薄膜技术领域，更具体地，涉及一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法。
背景技术
电致变色材料是一种特殊的材料，其在外电场的作用下，材料的透过率、反射率和吸收率等光学属性能够发生稳定、可逆变化。这种独特的性质，使得其在数字显示器、汽车防眩目后视镜和智能窗等领域具有广阔的应用。
氧化钨电致变色材料，因其拥有大的光学对比度、原材料来源广和成本低等优点，而被研究者们广泛的研究。氧化钨的电致变色原理是在外电场的作用下，离子(Li+, H+)与电子在氧化钨层嵌入与脱出时，发生可逆的氧化(褪色)还原(着色)反应。目前，纯氧化钨薄膜普遍以致密的结构存在，不利于电致变色过程中离子的扩散与电子的传输，导致薄膜的变色响应速度较慢，从而局限了氧化钨电致变色薄膜的实际应用。中国专利(201510881964.6)公布了一种利用液相激光烧蚀方法与电泳沉积方法制备了氧化钨电致变色薄膜，该方法制备的氧化钨薄膜结构致密，不利于电致变色过程中离子的嵌入与脱出。中国专利(201810727920.1)公布了一种制备氧化钨电致变色电极的方法，将氯化钨制备成溶胶，喷涂在FTO导电玻璃上，进一步在紫外下处理之后即得氧化钨电致变色电极，获得的薄膜在633 nm处的光学调制范围仅有31.74%。一般而言，氧化钨的响应时间和光学对比度受离子嵌入与脱出的扩散速率控制，因为离子的嵌入与脱出是一个扩散过程。多孔结构的氧化钨薄膜具有更多的离子扩散通道、较短的离子扩散路径和大的比表面积，有利于离子和电子在其内部的扩散和传输，进而提高氧化钨薄膜电致变色性能。因此，迫切需要发展一种制备具有多孔结构的氧化钨薄膜简便方法，从而获得具有优异电致变色性能的氧化钨薄膜，促进其在相关领域的应用及推广。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种具有多孔结构的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，通过在氧化钨薄膜中引入钛掺杂多级孔二氧化硅微球，得到多孔结构的氧化钨电致变色层，提高氧化钨薄膜的电致变色性能。
本发明的另一目的在于，提供上述制备方法得到钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备复合物介晶模板：将阳离子表面活性剂和阴离子聚电解质溶于分子水形成透明的混合溶液，在混合溶液中加入氨水，得复合物介晶模板；
S2.制备钛掺杂多级孔二氧化硅微球：将正硅酸乙酯与过氧钛酸溶液依次加入复合物介晶模板中形成乳浊液，将乳浊液移入烘箱进行反应，反应后经洗涤、干燥，煅烧除去有机模板，得钛掺杂多级孔二氧化硅微球；
S3.清洗工作电极：将FTO导电玻璃分别在丙酮、盐酸溶液和乙醇中超声清洗，再用保护气体吹干；
S4.制备电化学沉积液：将钨源、过氧化氢和硝酸溶于分子水形成过氧钨酸溶液，再向溶液中加入钛掺杂多级孔二氧化硅微球，得电化学沉积液；
S5.恒电位沉积：以步骤S3中清洗干净的FTO导电玻璃作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，在电化学沉积液中进行恒电位沉积，利用分子水冲洗，N2吹干后，得钛掺杂多级孔二氧化硅/氧化钨复合电致变色薄膜。
进一步地，步骤S1中所述阳离子表面活性剂为氯代十六烷基吡啶一水合物，所述阴离子聚电解质为聚丙烯酸。
进一步地，步骤S2中所述过氧钛酸溶液制备方法如下：将硫酸氧钛溶于分子水中，在2~6℃下加入过氧化氢，搅拌后得过氧钛酸溶液。
进一步地，步骤S2中所述钛掺杂多级孔二氧化硅微球中钛元素摩尔比为0.5~5%。
进一步地，所述钛掺杂多级孔二氧化硅微球粒径为500~800nm。
进一步地，步骤S4中所述电化学沉积液中钨源浓度为0.03~0.18M。
进一步地，所述钨源为钨酸钠、钨粉、钨酸铵、偏钨酸铵和氯化钨中的任意一种。
进一步地，步骤S4中所述钨源与钛掺杂多级孔二氧化硅微球质量比为5~20:1。
进一步地，步骤S5中所述恒电位沉积的沉积时间为5~30min，电压为-0.3~-0.8V。
一种根据所述制备方法得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜，所述电致变色薄膜具有以钛掺杂多级孔二氧化硅微球作为骨架的多孔结构。
进一步地，所述电致变色薄膜在700 nm时，光学调制范围为33.79~57.89%，着色效率为33.49~88.84cm2C-1。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明采用动态模板法制备钛掺杂多级孔二氧化硅微球，不仅可以获得大比表面的多级孔结构微球，为电致变色过程中提供有效离子及电子传输路径，而且可以大大提高钛的有效活性位点和牢固度，避免传统掺杂法中还原剂的使用，减少因钛团聚堵塞孔道等问题，简化工艺流程。
本发明制备的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜中，钛掺杂多级孔二氧化硅微球与氧化钨颗粒之间的范德华力有效的降低了电致变色层的薄层电阻，提高了其导电性，并在电致变色层中起着支撑作用，改变了电致变色层的结构，提高了氧化钨材料的稳定性，缩短了离子扩散路径，利于离子的嵌入与脱出，有效的提高了薄膜的电化学和光学性能。
本发明制备出的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜拥有多孔结构的形貌，具有优异的电致变色性能。
附图说明
图1是实施例一得到的钛掺杂多级孔二氧化硅微球的高倍扫描电镜(SEM)图;
图2是实施例一得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的扫描电镜图；
图3是实施例一得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的光电子能谱图a，薄膜中钨的高分辨XPS图谱b，钛的高分辨XPS图谱c，硅的高分辨XPS图谱d；
图4是实施例一得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的循环伏安曲线；
图5是实施例一得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的着色与褪色状态的透过率曲线，插图为着色和褪色状态的数码照片；
图6是实施例一得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜在700nm处的原位透过率曲线；
图7是实施例二得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的扫描电镜图；
图8是实施例二得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的着色与褪色状态的透过率曲线，插图为着色和褪色状态的数码照片；
图9是本发明中钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备流程示意图及变色原理图；
图10为对比例1制备的电致变色薄膜的扫描电镜图；
图11为对比例2制备的电致变色薄膜的扫描电镜图；
图12为对比例3制备的电致变色薄膜的扫描电镜图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.制备复合物介晶模板：将0.54g氯代十六烷基吡啶一水合物和4g聚丙烯酸溶于25mL分子水形成透明的混合溶液，在混合溶液中加入4g氨水，得复合物介晶模板；
S2.制备钛掺杂多级孔二氧化硅微球：依次将2.08g正硅酸乙酯和1.67mL过氧钛酸溶液(过氧钛酸制备方法如下：将0.01mol(1.60 g)硫酸氧钛溶于25mL分子水中，在2℃下加入0.04mmol过氧化氢，继续搅拌2h，即得过氧钛酸溶液)加入复合物介晶模板中形成乳浊液，将乳浊液移入比色管中，在80˚C烘箱中反应48h，用分子水和乙醇洗5次，然后在60˚C下干燥，最后在550℃下煅烧6h除去有机模板，得钛掺杂多级孔二氧化硅微球；
S3.清洗工作电极：将FTO导电玻璃分别在丙酮、1M盐酸溶液和乙醇中超声清洗30min，再用N2吹干；
S4.制备电化学沉积液：将6 mmol (1.98g)钨酸钠溶于100mL分子水中搅拌2h，依次加入2.8mL过氧化氢和1.2mL硝酸，中间间隔30min，再搅拌30min，形成过氧钨酸溶液，向溶液中加入0.13g钛掺杂多级孔二氧化硅微球，得电化学沉积液；
S5.恒电位沉积：以步骤S3中清洗干净的FTO导电玻璃作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，采用三电极体系在恒电位为-0.47V下沉积25min，沉积完成后利用分子水冲洗，用N2吹干，得钛掺杂多级孔二氧化硅/氧化钨复合电致变色薄膜。
实施例2
本实施例提供一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.制备复合物介晶模板：将0.54g氯代十六烷基吡啶一水合物和4g聚丙烯酸溶于25mL分子水形成透明的混合溶液，在混合溶液中加入4g氨水，得复合物介晶模板；
S2.制备钛掺杂多级孔二氧化硅微球：依次将2.08g正硅酸乙酯和1.67mL过氧钛酸溶液(过氧钛酸制备方法如下：将0.01 mol (1.60g)硫酸氧钛溶于25mL分子水中，在2 ℃下加入0.04mmol过氧化氢，继续搅拌2h，即得过氧钛酸溶液)加入复合物介晶模板中形成乳浊液，将乳浊液移入比色管中，在80˚C烘箱中反应48h，用分子水和乙醇洗5次，然后在60˚C下干燥，最后在550℃下煅烧6h除去有机模板，得钛掺杂多级孔二氧化硅微球；
S3.清洗工作电极：将FTO导电玻璃分别在丙酮、1M盐酸溶液和乙醇中超声清洗30min，再用N2吹干；
S4.制备电化学沉积液：将6 mmol (1.98 g)钨酸钠溶于100mL分子水中搅拌2h，依次加入2.8mL过氧化氢和1.2mL硝酸，中间间隔30min，再搅拌30min，形成过氧钨酸溶液，向溶液中加入0.20 g钛掺杂多级孔二氧化硅微球，得电化学沉积液；
S5.恒电位沉积：以步骤S3中清洗干净的FTO导电玻璃作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，采用三电极体系在恒电位为-0.47V下沉积25min，沉积完成后利用分子水冲洗，用N2吹干，得钛掺杂多级孔二氧化硅/氧化钨复合电致变色薄膜。
实施例3
本实施例提供一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，具体操作步骤参照实施例1，与实施例1的区别如下：
S4.制备电化学沉积液：将0.99g氯化钨溶于100mL分子水中搅拌2h，依次加入2.8mL过氧化氢和1.2mL硝酸，中间间隔30min，再搅拌30min，形成过氧钨酸溶液，向溶液中加入0.20g钛掺杂多级孔二氧化硅微球，得电化学沉积液；
S5.恒电位沉积：以步骤S3中清洗干净的FTO导电玻璃作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，采用三电极体系在恒电位为-0.8V下沉积5min，沉积完成后利用分子水冲洗，用N2吹干，得钛掺杂多级孔二氧化硅/氧化钨复合电致变色薄膜。
实施例4
本实施例提供一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，具体操作步骤参照实施例1，与实施例1的区别如下：
S4.制备电化学沉积液：将3.31g钨粉溶于100mL分子水中搅拌2h，依次加入2.8mL过氧化氢和1.2mL硝酸，中间间隔30min，再搅拌30min，形成过氧钨酸溶液，向溶液中加入0.17g钛掺杂多级孔二氧化硅微球，得电化学沉积液；
S5.恒电位沉积：以步骤S3中清洗干净的FTO导电玻璃作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，采用三电极体系在恒电位为-0.3V下沉积30min，沉积完成后利用分子水冲洗，用N2吹干，得钛掺杂多级孔二氧化硅/氧化钨复合电致变色薄膜。
对比例1
本对比例参照实施例1，提供一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，与实施例1不同之处在于：步骤S4中，在过氧钨酸溶液中加入的钛掺杂多级孔二氧化硅微球的量为0.40g。
对比例2
本对比例参照实施例1，提供一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，与实施例1不同之处在于：步骤S4中，在过氧钨酸溶液中加入的钛掺杂多级孔二氧化硅微球的量为0.10g。
对比例3
本对比例参照实施例1，提供一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，与实施例1不同之处在于：步骤S4中，在过氧钨酸溶液中未加入钛掺杂多级孔二氧化硅微球。
图1为实施例一步骤S2中制备的钛掺杂多级孔二氧化硅，颗粒存在有序的介孔和二次纳米孔，粒径为700nm。
图2为实施例一中制备的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的SEM图，形貌呈现多孔结构，并且可以明显的看到钛掺杂多级孔二氧化硅微球镶嵌在薄膜中。
图3是实施例一中制备的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的光电子能谱表征图和薄膜中钨、硅、钛元素的高分辨XPS图谱，图3证实了由实施例一制得的电致变色薄膜中含有钨、硅、钛、碳、氧五种元素，钨和钛分别以最高氧化态的六价和四价存在，同时证实了由实施例一成功的制得了钛掺杂多级孔二氧化硅/氧化钨复合电致变色薄膜。
图4是实施例一中钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的循环伏安曲线，采用三电极体系测试薄膜的电化学性能，电致变色薄膜作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，电解质为1M的无水高氯酸锂的碳酸丙烯酯溶液，扫描范围为-1V~1V，扫描速率为50mV/s。当给予薄膜负电压时，薄膜中发生锂离子和电子的嵌入，材料由透明逐渐转变为深蓝色；给予正电压时，离子和电子从薄膜中脱出，材料逐渐由深蓝色变为透明。
图5是实施例一中钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜在-1V下着色，在1V下褪色状态的透过率曲线，在700nm处，实施例一中薄膜光学调制范围达到57.89%，图5中的插图与薄膜在着色态(-1V)，褪色态(1V)一一对应，着色时为深蓝色，褪色时为透明。
图6是实施例一中钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜在700nm处的原位透过率对时间变化图谱，由图可计算，该薄膜的着色时间和褪色时间分别为14.5秒和11.83秒。
图7是实施例二中钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的扫描电镜图，与实施例一中制备的薄膜结构基本保持一致，也可以观察到钛掺杂多级孔二氧化硅微球成功的嵌入在电致变色层。
图8是实施例二中钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜在700nm处，着色态(-1V)与褪色态(1V)下的透过率曲线，实施例二中薄膜光学调制范围是56.39%，仅次于实施例一中薄膜光学调制范围，图8中插图与薄膜在-1V着色态(-1V)与褪色态(1V)一一对应，着色时为深蓝色，褪色时为透明。
图10为对比例1制备的电致变色薄膜的扫描电镜图，由菜花状的颗粒形成了致密结构和具有小裂纹的薄膜。
图11为对比例2制备的电致变色薄膜的扫描电镜图，在图中可以看到少量钛掺杂多级孔二氧化硅微球的存在，电致变色薄膜的性能优化不大。
图12为对比例3制备的电致变色薄膜的扫描电镜图，薄膜由菜花状的颗粒生长而成，具有大裂缝。该电致变色薄膜放置一周后，薄膜开始脱落，稳定性差，使用寿命短。
本发明上述实施例将钛掺杂多级孔二氧化硅微球和过氧钨酸溶液为电沉积液用电化学沉积方法制备成钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜，该方法不需要高温高压环境，可直接在透明导电基底上通过电化学沉积的方法在上面生长电致变色层，且具有成本低、易操作等特点，便于钛掺杂多级孔二氧化硅/氧化钨复合电致变色薄膜大规模生产。本发明的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜具有大比表面积，便于离子和电子的嵌入与脱出，提高了电致变色薄膜的电致变色性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备复合物介晶模板：将阳离子表面活性剂和阴离子聚电解质溶于分子水形成透明的混合溶液，在混合溶液中加入氨水，得复合物介晶模板；
S2.制备钛掺杂多级孔二氧化硅微球：将正硅酸乙酯与过氧钛酸溶液依次加入复合物介晶模板中形成乳浊液，将乳浊液移入烘箱进行反应，反应后经洗涤、干燥，煅烧除去有机模板，得钛掺杂多级孔二氧化硅微球；
S3.清洗工作电极：将FTO导电玻璃分别在丙酮、盐酸溶液和乙醇中超声清洗，再用保护气体吹干；
S4.制备电化学沉积液：将钨源、过氧化氢和硝酸溶于分子水形成过氧钨酸溶液，再向溶液中加入钛掺杂多级孔二氧化硅微球，得电化学沉积液；
S5.恒电位沉积：以步骤S3中清洗干净的FTO导电玻璃作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，在电化学沉积液中进行恒电位沉积，然后利用分子水冲洗，N2吹干，得钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜。
2.根据权利要求1所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述阳离子表面活性剂为氯代十六烷基吡啶一水合物，所述阴离子聚电解质为聚丙烯酸。
3.根据权利要求1所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述过氧钛酸溶液制备方法如下：将硫酸氧钛溶于分子水中，在低温下加入过氧化氢，搅拌后得过氧钛酸溶液。
4.根据权利要求1所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述钛掺杂多级孔二氧化硅微球中钛元素摩尔比为0.5~5%。
5.根据权利要求4所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，所述钛掺杂多级孔二氧化硅微球粒径为500~800nm。
6.根据权利要求1所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述电化学沉积液中钨源浓度为0.03~0.18M。
7.根据权利要求6所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，所述钨源为钨酸钠、钨粉、钨酸铵、偏钨酸铵和氯化钨中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述钨源与钛掺杂多级孔二氧化硅微球质量比为5~20:1。
9.一种根据权利要求1~8任一项所述制备方法得到的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜，其特征在于，所述电致变色薄膜具有以钛掺杂多级孔二氧化硅微球作为骨架的多孔结构。
10.根据权利要求9所述的钛掺杂多级孔二氧化硅/纳米氧化钨复合电致变色薄膜，其特征在于，所述电致变色薄膜在700 nm时，光学调制范围为33.79~57.89%，着色效率为33.49~88.84cm2C-1。
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