聚噻吩基电致变色复合材料的制备及性能研究

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电致变色材料作为一种新型智能材料,可通过电化学反应实现可逆、持续地改变其光学性质,在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。近年来,导电高分子型电致变色材料由于其所具备的诸多优势,成为了当前研究的热点。其中,聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)作为一种五元杂环共轭聚合物是一种非常有前途的电致变色材料。本文以PEDOT作为主要研究对象开发了两种电致变色复合材料并设计组装了半固态层压传动式电致变色器件,分别对其结构形貌和电致变色性能进行了相关测试和分析。具体如下所示:1. 通过原位聚合制备了聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)/氧化石墨烯电致变色复合材料。氧化石墨烯良好的导电性提高了薄膜的峰电流密度和插层面积,增强了活性成分之间的电荷转移,从而使复合材料具有良好的电致变色性能。氧化石墨烯的高比表面积片层结构则为PEDOT:PSS提供了大量的活性位点,以促使电致变色薄膜与导电基底的接触更为牢固、成膜性更好;同时也可以更好地完成氧化还原反应中电子和离子的注入/抽出过程。因此,该电致变色薄膜表现出优异的电致变色性能,可以产生从浅蓝色变为深蓝色的可逆颜色变化。与PEDOT:PSS薄膜相比,PEDOT:PSS/GO薄膜变色范围更广(ΔT=34.94%),具有更大的锂离子扩散系数(2.95×10-15 cm2 s-1),更短的响应时间(着色响应时间/褪色响应时间分别为1.27 s/2.5 s)以及更高的着色效率(172.08 cm2/c)。2. 通过共混法制备了聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)/三氧化钨溶胶电致变色复合材料。该复合材料能够克服无机电致变色颜色变化单一、响应时间较长和有机电致变色材料基底成膜难等自身缺陷,最大化的相互促进以改善电致变色性能。三氧化钨溶胶良好的成膜性和分散性以及簇团间吸附水的作用,使得薄膜和电解质溶液之间的界面势垒降低,从而有利于离子在氧化还原反应中的扩散传输。另外,复合材料疏松的多链状结构,增加了薄膜与电解液之间的有效接触面积,同时也缩短了电子/离子的转移路径,从而有利于电解液的渗透与传输过程。与PEDOT:PSS薄膜相比,PEDOT:PSS/WO3薄膜具有更宽的光学对比度(ΔT=28.98%)、更高的离子扩散系数(4.81×10-15 cm2 s-1)、更短的响应时间(着色响应时间/褪色响应时间分别为2.37s/2.3 s)以及更高的着色效率(131.47 cm2/c)。3. 以PEDOT:PSS/WO3复合材料设计组装了半固态层压传动式电致变色器件。半固态电解质促进了电致变色材料发生氧化还原反应,增强了在整个电化学反应中锂离子的注入/抽出过程,使器件具有稳定持久的“记忆效应”以及在低电压下稳定的变色过程,在降低功耗、节约能源方面有着可观的前景。实验结果表明,该器件具有较宽的变色范围(ΔT>35%),稳定的着色/褪色状态以及良好的循环稳定性(75v%WO3时ΔT降幅约为7.4%)。
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