CN112081514A - 一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口 - Google Patents

一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，属于功能材料及器件领域。解决了现有的电致变色窗口需要导电玻璃作为电子传输层、限制了电致变色窗口商业化发展的问题。它包括液流电池、变色窗、第一储液罐、第一蠕动泵、第二储液罐和第二蠕动泵，所述第一储液罐内溶液通过第一蠕动泵泵入液流电池的正极下端，溶液从正极的上端流出，进入变色窗后流回第一储液罐中，此过程中颜色在蓝色与无色间转变。所述第二储液罐内溶液通过第二蠕动泵泵入液流电池的负极下端，溶液从负极的上端流出，流回第二储液罐中。它实现了无导电玻璃的电致变色的智能窗口的应用。

Description

一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口
技术领域
本发明属于功能材料及器件领域，特别是涉及一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口。
背景技术
随着城市化进程的加快，居住、办公、商业等建筑物的总量不断增加，用于建筑物取暖、降温、照明等的能耗也在日益增长，其能量损失占总能耗的30％-50％。建筑的取暖和采光都是通过窗户来完成的，所以能够主动调节建筑内的光照时间，就可以大幅度降低建筑的能量损失。
电致变色窗，也称为“智能窗”，是导电玻璃传输电子，在电极上发生电子转移反应，引起变色材料的光吸收/透射性能的变化，从而改变窗户的颜色并调节其阴影和不透明度。电致变色窗上的电致变色的材料种类有很多，可分为有机和无机两大类，有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等；无机电致变色材料主要有三氧化钨、普鲁士蓝、氧化镍等。电致变色器件也凭借其低工作电压、低功耗、开路记忆等优势使其具有非常广阔的应用前景：电致变色窗除了节能方面外，还能大大提高建筑的美观度和居住的舒适性；变色玻璃也可以应用在汽车防眩光后视镜、飞机光调节窗、显示器、滑雪护目镜、文物光照保护等领域。
传统的电致变色窗是由透明导电玻璃、电致变色层、离子导电层和离子存储层组合而成。而目前大部分电致变色器件无法摆脱对导电玻璃的依赖，导电玻璃的高成本制约了电致变色器件的商业化应用。此外，导电玻璃本身表面的导电层是不完全透明的，小电阻的导电玻璃的光透过率仅有82％，而光透过率达到90％的导电玻璃也由于其电阻大导致能量损失。因此，将导电玻璃替换成普通玻璃来降低成本，并且不影响变色前后的光透过率，成为目前电致变色商业化应用应当解决的问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，它包括液流电池、变色窗、第一储液罐、第一蠕动泵、第二储液罐和第二蠕动泵，所述第一储液罐内储存有氯化钾和铁氰化钾的溶液，所述第一储液罐内溶液通过第一蠕动泵泵入液流电池的正极下端，溶液从正极的上端流出，进入变色窗后流回第一储液罐中，所述第二储液罐内储存有氯化钾和亚铁氰化钾的溶液，所述第二储液罐内溶液通过第二蠕动泵泵入液流电池的负极下端，溶液从负极的上端流出，流回第二储液罐中，所述变色窗包括紧固板、变色玻璃、液体流动框和硅胶垫，所述液体流动框两侧面均分别与变色玻璃和紧固板依次相连，两侧的紧固板通过螺丝紧固连接，所述紧固板、变色玻璃和液体流动框之间均设有硅胶垫，所述液体流动框与第一储液罐和液流电池的正极相连。
更进一步的，所述液流电池包括夹板、端板、集流片、双极板、电极框、电极、离子交换膜和密封垫，所述离子交换膜两侧面均分别与电极、电极框、双极板、集流片、端板和夹板依次相连，两侧的夹板通过螺丝紧固连接。
更进一步的，所述夹板为不锈钢材质，所述端板为聚四氟乙烯材质，所述集流片为铜片，所述双极板为柔性石墨材质，所述电极框为聚四氟乙烯材质，所述电极为石墨毡电极，所述密封垫为硅胶密封垫。
更进一步的，所述石墨毡电极厚度为5mm。
更进一步的，所述第一储液罐内溶液体积20毫升，溶质为1M氯化钾、0.05M铁氰化钾，溶剂为水。
更进一步的，所述第二储液罐内溶液体积50毫升，溶质为1M氯化钾、0.05M亚铁氰化钾，溶剂为水。
更进一步的，所述紧固板为不锈钢材质，所述液体流动框为聚四氟乙烯材质。
更进一步的，所述变色玻璃包括钛白玻璃和遮光膜，所述遮光膜涂抹在钛白玻璃上，所述变色玻璃的制备包括以下步骤：
步骤一：用研钵研磨500mg普鲁士蓝，将研磨后的普鲁士蓝放入瓶中，并加入10ml酒精，最后加入9g锆珠和一粒磁子，搅拌8小时，得到普鲁士蓝浆料；
步骤二：将钛白玻璃放置到水平的桌面上，将普鲁士蓝浆料用滴管蛇形边挤出浆料边刮涂，得到厚度相同的膜层，静置1小时，表面干燥后放入鼓风干燥箱中，在70℃条件下放置2小时。
更进一步的，所述变色玻璃包括钛白玻璃和光调节膜，所述光调节膜涂抹在钛白玻璃上，所述变色玻璃的制备包括以下步骤：
步骤一：用研钵研磨300mg普鲁士蓝，将研磨后的普鲁士蓝放入瓶中，并加入10ml酒精，最后加入9g锆珠和一粒磁子，搅拌8小时，即得到普鲁士蓝浆料；
步骤二：将普鲁士蓝浆料滴在钛白玻璃表面，将钛白玻璃放在旋涂仪上，1500rmp，20s，然后退火1分钟。
更进一步的，所述离子交换膜的前处理包括以下步骤：
步骤一：将离子交换膜剪裁后放入1L烧杯中；
步骤二：用200毫升去离子水煮离子交换膜，水浴锅80℃加热15分钟；
步骤三：用200毫升2M硫酸溶液煮离子交换膜，水浴锅80℃加热1.5小时；
步骤四：用200毫升去离子水煮离子交换膜，水浴锅80℃加热15分钟；
步骤五：用200毫升2M氯化钾溶液煮离子交换膜，水浴锅80℃加热3小时；
步骤六：将煮好的离子交换膜保存在200毫升2M氯化钾溶液中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有的电致变色窗口需要导电玻璃作为电子传输层、限制了电致变色窗口商业化发展的问题。本发明引进了液流电池的概念，将液流电池与电致变色窗相结合，通过液流电池的充放电来实现变色。这样就可以大大降低商业化的成本，使得电致变色窗摆脱对导电玻璃的依赖，从而实现大规模商业化应用。本发明提供一种可以不使用导电玻璃的电致变色窗，通过不同的成膜工艺，可以得到两种用途不同的膜层，分别为较厚的遮光膜与较薄的光调节膜，遮光膜在680nm处变色前后光吸收差值能达到2.48，光调节膜在680nm处光调节率可达60％。并且循环寿命长，循环寿命在200个循环(65小时)内液体的导通电子能力无明显衰减。结构简单、原料廉价、制备工艺简单，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明所述的无导电玻璃的电致变色的智能窗口结构示意图；
图2为本发明所述的液流电池结构示意图；
图3为本发明所述的变色窗结构示意图；
图4为本发明所述的变色玻璃为钛白玻璃和遮光膜时，变色窗的前后变色情况示意图；
图5为本发明所述的变色玻璃为钛白玻璃和光调节膜时，变色窗的前后变色情况示意图；
图6为本发明所述的普鲁士蓝与铁氰化钾和亚铁氰化钾在1M氯化钾内的CV图；
图7为本发明所述的第一次充放电与第200次充放电的容量-电压图；
图8为本发明所述的电池容量循环稳定性曲线图；
图9为本发明所述的遮光膜变色前后的波长-光吸收率图；
图10为本发明所述的光调节膜变色前后的波长-光透过率图。
1-夹板，2-端板，3-双极板，4-电极框，5-电极，6-离子交换膜，7-密封垫，8-液流电池，9-变色窗，10-第一储液罐，11-第一蠕动泵，12-第二储液罐，13-第二蠕动泵，14-紧固板，15-变色玻璃，16-液体流动框，17-硅胶垫。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-10说明本实施方式，一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，它包括液流电池8、变色窗9、第一储液罐10、第一蠕动泵11、第二储液罐12和第二蠕动泵13，所述第一储液罐10内储存有氯化钾和铁氰化钾的溶液，所述第一储液罐10内溶液通过第一蠕动泵11泵入液流电池8的正极下端，溶液从正极的上端流出，进入变色窗9后流回第一储液罐10中，所述第二储液罐12内储存有氯化钾和亚铁氰化钾的溶液，所述第二储液罐12内溶液通过第二蠕动泵13泵入液流电池8的负极下端，溶液从负极的上端流出，流回第二储液罐12中，所述变色窗9包括紧固板14、变色玻璃15、液体流动框16和硅胶垫17，所述液体流动框16两侧面均分别与变色玻璃15和紧固板14依次相连，两侧的紧固板14通过螺丝紧固连接，所述紧固板14、变色玻璃15和液体流动框16之间均设有硅胶垫17，所述液体流动框16与第一储液罐10和液流电池8的正极相连。
本实施例所述液流电池8包括夹板1、端板2、集流片、双极板3、电极框4、电极5、离子交换膜6和密封垫7，所述离子交换膜6两侧面均分别与电极5、电极框4、双极板3、集流片、端板2和夹板1依次相连，两侧的夹板1通过螺丝紧固连接，所述夹板1为不锈钢材质，所述端板2为聚四氟乙烯材质，所述集流片为铜片，所述双极板3为柔性石墨材质，所述电极框4为聚四氟乙烯材质，所述电极5为石墨毡电极，所述密封垫7为硅胶密封垫，所述石墨毡电极厚度为5mm，所述第一储液罐10内溶液体积20毫升，溶质为1M氯化钾、0.05M铁氰化钾，溶剂为水，所述第二储液罐12内溶液体积50毫升，溶质为1M氯化钾、0.05M亚铁氰化钾，溶剂为水，所述紧固板14为不锈钢材质，所述液体流动框16为聚四氟乙烯材质。
本实施例以普鲁士蓝做为电致变色材料，通过基于铁氰化钾和亚铁氰化钾与普鲁士蓝或普鲁士白的Nernstian电位驱动单分子氧化还原靶向(single molecule redoxtargeting，SMRT)反应来实现着色或脱色。通常由两片普通窗户玻璃组成，上面涂有普鲁士蓝的薄膜。氧化还原靶向反应分子溶解在水中，在外部的液流电池8中电化学氧化或还原，并被泵入液体流动框16中，在液体流动框16中铁氰化钾和亚铁氰化钾与普鲁士白或普鲁士蓝之间发生氧化还原反应，导致窗口着色或脱色。在紧急情况下，玻璃上的普鲁士蓝和溶液里面的铁氰化钾被还原进行放电，以此实现无导电玻璃的电致变色窗的设计。
本实施例中所述变色玻璃15包括钛白玻璃和遮光膜，所述遮光膜涂抹在钛白玻璃上，所述变色玻璃15的制备包括以下步骤：
步骤一：用研钵研磨500mg普鲁士蓝，将研磨后的普鲁士蓝放入瓶中，并加入10ml酒精，最后加入9g锆珠和一粒磁子，搅拌8小时，得到普鲁士蓝浆料；
步骤二：将钛白玻璃放置到水平的桌面上，将普鲁士蓝浆料用滴管蛇形边挤出浆料边刮涂，得到厚度相同的膜层，静置1小时，表面干燥后放入鼓风干燥箱中，在70℃条件下放置2小时。
本实施例所述变色玻璃15包括钛白玻璃和光调节膜，所述光调节膜涂抹在钛白玻璃上，所述变色玻璃15的制备包括以下步骤：
步骤一：用研钵研磨300mg普鲁士蓝，将研磨后的普鲁士蓝放入瓶中，并加入10ml酒精，最后加入9g锆珠和一粒磁子，搅拌8小时，即得到普鲁士蓝浆料；
步骤二：将普鲁士蓝浆料滴在钛白玻璃表面，将钛白玻璃放在旋涂仪上，1500rmp，20s，然后退火1分钟。
本实施例中的离子交换膜6采用美国杜邦公司Nafion117质子交换膜，所述离子交换膜6的前处理包括以下步骤：
步骤一：将离子交换膜6剪裁后放入1L烧杯中；
步骤二：用200毫升去离子水煮离子交换膜6，水浴锅80℃加热15分钟；
步骤三：用200毫升2M硫酸溶液煮离子交换膜6，水浴锅80℃加热1.5小时；
步骤四：用200毫升去离子水煮离子交换膜6，水浴锅80℃加热15分钟；
步骤五：用200毫升2M氯化钾溶液煮离子交换膜6，水浴锅80℃加热3小时；
步骤六：将煮好的离子交换膜6保存在200毫升2M氯化钾溶液中。
本实施例使用电池测试系统进行测试，工步设置如下：
1-搁置，时间4分钟；
2-恒流放电，电压设置为-0.5V，电流设置为0.0135A；
3-搁置，时间4分钟；
4-恒流放电，电压设置为-0.5V，电流设置为0.27A；
5-搁置，时间4分钟；
6-恒流充电，电压设置为0.5V，电流设置为0.27A；
7-搁置，时间4分钟；
8-恒流充电，电压设置为0.5V，电流设置为0.0135A；
9-循环200次；
10-结束。
上述实施例中氯化钾纯度级别为98％，铁氰化钾纯度级别为99.5％，亚铁氰化钾纯度级别为99％，普鲁士蓝纯度级别为98％。
以上对本发明所提供的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，它包括液流电池(8)、变色窗(9)、第一储液罐(10)、第一蠕动泵(11)、第二储液罐(12)和第二蠕动泵(13)，所述第一储液罐(10)内储存有氯化钾和铁氰化钾的溶液，所述第一储液罐(10)内溶液通过第一蠕动泵(11)泵入液流电池(8)的正极下端，溶液从正极的上端流出，进入变色窗(9)后流回第一储液罐(10)中，所述第二储液罐(12)内储存有氯化钾和亚铁氰化钾的溶液，所述第二储液罐(12)内溶液通过第二蠕动泵(13)泵入液流电池(8)的负极下端，溶液从负极的上端流出，流回第二储液罐(12)中，所述变色窗(9)包括紧固板(14)、变色玻璃(15)、液体流动框(16)和硅胶垫(17)，所述液体流动框(16)两侧面均分别与变色玻璃(15)和紧固板(14)依次相连，两侧的紧固板(14)通过螺丝紧固连接，所述紧固板(14)、变色玻璃(15)和液体流动框(16)之间均设有硅胶垫(17)，所述液体流动框(16)与第一储液罐(10)和液流电池(8)的正极相连。
2.根据权利要求1所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述液流电池(8)包括夹板(1)、端板(2)、集流片、双极板(3)、电极框(4)、电极(5)、离子交换膜(6)和密封垫(7)，所述离子交换膜(6)两侧面均分别与电极(5)、电极框(4)、双极板(3)、集流片、端板(2)和夹板(1)依次相连，两侧的夹板(1)通过螺丝紧固连接。
3.根据权利要求2所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述夹板(1)为不锈钢材质，所述端板(2)为聚四氟乙烯材质，所述集流片为铜片，所述双极板(3)为柔性石墨材质，所述电极框(4)为聚四氟乙烯材质，所述电极(5)为石墨毡电极，所述密封垫(7)为硅胶密封垫。
4.根据权利要求3所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述石墨毡电极厚度为5mm。
5.根据权利要求1所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述第一储液罐(10)内溶液体积20毫升，溶质为1M氯化钾、0.05M铁氰化钾，溶剂为水。
6.根据权利要求1所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述第二储液罐(12)内溶液体积50毫升，溶质为1M氯化钾、0.05M亚铁氰化钾，溶剂为水。
7.根据权利要求1所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述紧固板(14)为不锈钢材质，所述液体流动框(16)为聚四氟乙烯材质。
8.根据权利要求1所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述变色玻璃(15)包括钛白玻璃和遮光膜，所述遮光膜涂抹在钛白玻璃上，所述变色玻璃(15)的制备包括以下步骤：
步骤一：用研钵研磨500mg普鲁士蓝，将研磨后的普鲁士蓝放入瓶中，并加入10ml酒精，最后加入9g锆珠和一粒磁子，搅拌8小时，得到普鲁士蓝浆料；
步骤二：将钛白玻璃放置到水平的桌面上，将普鲁士蓝浆料用滴管蛇形边挤出浆料边刮涂，得到厚度相同的膜层，静置1小时，表面干燥后放入鼓风干燥箱中，在70℃条件下放置2小时。
9.根据权利要求1所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述变色玻璃(15)包括钛白玻璃和光调节膜，所述光调节膜涂抹在钛白玻璃上，所述变色玻璃(15)的制备包括以下步骤：
步骤一：用研钵研磨300mg普鲁士蓝，将研磨后的普鲁士蓝放入瓶中，并加入10ml酒精，最后加入9g锆珠和一粒磁子，搅拌8小时，即得到普鲁士蓝浆料；
步骤二：将普鲁士蓝浆料滴在钛白玻璃表面，将钛白玻璃放在旋涂仪上，1500rmp，20s，然后退火1分钟。
10.根据权利要求2所述的一种无导电玻璃的电致变色的智能窗口，其特征在于：所述离子交换膜(6)的前处理包括以下步骤：
步骤一：将离子交换膜(6)剪裁后放入1L烧杯中；
步骤二：用200毫升去离子水煮离子交换膜(6)，水浴锅80℃加热15分钟；
步骤三：用200毫升2M硫酸溶液煮离子交换膜(6)，水浴锅80℃加热1.5小时；
步骤四：用200毫升去离子水煮离子交换膜(6)，水浴锅80℃加热15分钟；
步骤五：用200毫升2M氯化钾溶液煮离子交换膜(6)，水浴锅80℃加热3小时；
步骤六：将煮好的离子交换膜(6)保存在200毫升2M氯化钾溶液中。
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