杂多酸基多组分复合薄膜的制备及其可见光光致变色性能研究

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随着科技的进步与人们对光致变色材料的不断关注,光致变色材料的激发光源的能谱必将会从紫外光区转到可见光区域,因为可见光才是我们身边最普遍存在的光源。这将是研究光致变色材料的大趋势。无机半导体因其优异的导电性能和光敏特性而被人们开始引入到光致变色材料体系中。通过将具有可见光光敏特性的无机半导体与杂多酸复合,可制备出可见光光致变色材料。无机半导体氧化锌(ZnO),对可见光具有优异的光敏效应。本文选用通过溶胶凝胶法制备出的ZnO溶胶,作为可见光光敏纳米材料ZnO,并采用超声复合法将其与杂多酸(磷钼酸、磷钨酸)按照不同浓度比例,复合于有机高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)乙醇体系中,制备出杂多酸基多组分复合薄膜体系。利用透射电子显微镜(TEM)和红外吸收光谱(FT-IR)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,研究了复合膜体系中多种组分之间的相互作用,以及各组分对于复合膜结构、可见光光致变色性能的作用,提出了杂多酸基多组分复合薄膜可能的可见光光致变色机制。以下是本文的主要研究内容:(1)在乙醇体系中,利用超声分散复合法将ZnO溶胶-凝胶作为可见光光敏材料与磷钼酸按照不同浓度比复合于有机高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮乙醇体系中,制备PMoA/ZnO/PVP复合薄膜体系。复合膜中各组分(PMoA、ZnO、PVP)的基本结构在可见光光照前后没有被破坏,仍保留在复合膜中。复合膜经可见光光照后由无色变成蓝色,复合膜的生色过程遵循一级动力学方程。在可见光激发下,复合膜中的组分ZnO产生光生电子,被PMoA捕获,发生还原反应,Mo6+被还原生成了Mo5+,生成杂多蓝。该过程是按照光生电子的转移机制进行的。(2)考虑到光致变色材料的可逆性,本文将具有较低氧化还原电位的磷钨酸(PWA)引入到上述PMoA/ZnO/PVP复合膜体系中,用超声复合法制备PMoA:PWA:ZnO比例不同的mPMoAnPWA/ZnO/PVP复合薄膜。在可见光照射下,无色的复合膜发生光还原反应变为蓝色,在氧气的作用下复合膜开始褪色,褪色速率随时间的延长而变慢,在加热条件下复合膜迅速褪色。复合膜的着色-褪色过程是可逆的,能够实现多次的着色-褪色过程,体现出稳定的光致变色可逆性。mPMoAnPWA/ZnO/PVP复合膜的光致变色过程也是按照光生电子转移机制进行的。(3)选用光致变色性能最佳的mPMoAnPWA/ZnO/PVP复合薄膜,将其负载于A4纸张上,制备可见光光致变色纸。采用以可见光光源激光器作为光源制备的无墨打印装置,在可见光光致变色纸上印刷图案,测试该纸的光致变色性能。根据可见光光致变色材料能在可见光照下变色,在空气中氧化褪色的特点实现纸张的重复使用。
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