一种介孔结构的电致变色器件及其制备方法

1.本发明涉及一种介孔结构的电致变色器件及其制备方法，属于电致变色领域。


背景技术：

2.能源是维持国家经济持续发展、保障人民物质生活水平的重要基础。如今，能源短缺、环境污染等问题日益严峻，科学家在开发新能源的同时也在努力寻找节能降耗的方法。建筑是人类进行生产生活活动的主要场所之一，在人类生产生活总能耗中，建筑能耗占有很大比例，而在建筑能耗中，用于改善建筑舒适度的照明和空调系统的能耗，在建筑总能耗中所占的比例超过75％。这两部分的能耗都与门窗玻璃有关，因此开发具有节能效果的建筑玻璃是实现建筑节能的重要途径。目前的建筑玻璃控制能量损失的方式是静态的，例如在红外波段具有高反射率的low-e玻璃，能阻止红外线透过窗户；中空玻璃，利用空气导热系数低来减少室内外之间的传导散热。上个世纪80年代，科学家基于电致变色材料，提出了“智能窗”的概念——一种主动调控可见和近红外透射光线强弱的建筑窗体结构材料，能够根据室内外环境的差异动态调节射入室内光线的强弱，减少空调和照明系统的使用，与low-e、中空玻璃组合在一起可以达到更好的节能效果。电致变色材料的性能决定了“智能窗”调节光线能力的强弱，电致变色材料也因此引起了广泛的重视。电致变色是指材料的光学属性，如透过率，反射率在低电压驱动下发生可逆的颜色变化现象，在外观上表现为蓝色和透明态之间的可逆変化。电致变色作为如今研究的热点，应用领域广。电致变色器件及技术主要应用于节能建筑玻璃、其他移动体车窗上、汽车防眩后视镜、显示屏、电子纸、隐身伪装等领域。
3.传统电致变色器件主要有五层薄膜组成、包括两层透明导电层、离子储存层、电致变色层、以及离子传导层(如图1所示)。其中，离子储存层辅助电致变色层在第一，第二导电层上施加低电压实现电致变色反应。离子传导层是提供锂离子及扩散薄膜层，担负着电场作用下确保离子传导率，其结构与制备工艺是保证器件电致变色性能的最重要的技术之一。电致变色器件可按离子传导层的状态可分为三种，分别为：液态电致变色器件，凝胶态电致变色器件以及全固态电致变色器件，其中凝胶态电致变色器件又为准固态电致变色器件。相对于液态电致变色器件的封装、漏液等问题；相对于全固态电致变色器件的响应时间慢、离子导电性较差等问题，准固态电致变色器件稳定性较佳、制备工艺简单、并且其响应时间又高于全固态电致变色器件。
4.基于传统电致变色器件电致变色层与离子传导层接触面积小，使得离子迁移效率低，导致基于无机电致变色层的电致变色器件往往响应速度较慢，循环稳定性较弱。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种介孔结构的电致变色器件及其制备方法。
6.一方面，本发明提供了一种介孔结构的电致变色器件，所述介孔结构的电致变色
器件依次包括：第一透明导电电极、以及形成在第一透明导电电极表面的树脂基离子传导层、具有介孔结构的无机电致变色层和第二透明导电电极；所述具有介孔结构的无机电致变色层的孔隙率≤20％，介孔大小为20～200nm。
7.在本发明中，具有介孔结构的无机电致变色层以及充分填充的树脂基离子传导层具有更高的接触面积，从而能够提高离子的迁移与传输效率，从而提高其电致变色响应速度。其中，孔隙率过大则界面和缺陷过多，影响离子迁移。孔隙率过低则不能充分提高离子的迁移性能。
8.较佳的，所述具有介孔结构的无机电致变色层的材质为wo3、moo3、tio2、或zno；所述具有介孔结构的无机电致变色层的厚度为200～500nm。其中，过厚则离子容易被电致变色层深处的缺陷俘获，导致变色不彻底，不完全。过薄则变色性能不足，导致器件的性能下降。
9.较佳的，所述第一透明导电电极或第一透明导电电极的为透明导电氧化物薄膜或金属纳米线薄膜；所述透明导电氧化物薄膜选自fto、ito、ato、或azo；所述金属纳米线薄膜由cu纳米线、au纳米线、ag纳米线和al纳米线中的至少一种构成。
10.又，较佳的，所述透明导电氧化物薄膜的厚度为100nm～700nm；所述金属纳米线薄膜的厚度为100～400nm，方阻为3～100ω/cm2，透过率大于75％。
11.较佳的，所述树脂基离子传导层材料为基于树脂材料的阳离子传导层，其中阳离子为na离子、al离子、k离子、li离子、cs离子、rb离子、mg离子和ca离子中的至少一种。
12.较佳的，所述树脂基阳离子传导层的厚度为20～100μm。其中，过厚影响离子的迁移效率，过薄则离子含量不足，影响器件的变色性能。
13.另一方面，本发明提供了一种上述的介孔结构的电致变色器件的制备方法，包括：(1)将无机电致变色纳米粉体和无机盐(mgcl2份或/和nacl粉体)按照质量比1:(0～0.3)称取并分散中溶剂中，得到混合液，所述无机电致变色纳米粉体为wo3纳米粉体、moo3纳米粉体、tio2纳米粉体、或zno纳米粉体；(2)在第二透明导电电极表面旋涂所得混合液后进行干燥，再采用去离子水缓慢清洗nacl粉体，最后在250～500℃下热处理5～60min，得到具有介孔结构的无机电致变色层。(3)在第一透明导电电极和和具有介孔结构的无机电致变色层之间真空灌装树脂基离子传导层的前驱体溶液，再经紫外光固化或热固化，得到所述介孔结构的电致变色器件。
14.较佳的，所述无机电致变色纳米粉体的粒径为40～300nm，所述mgcl2粉体和nacl粉体的粒径为50～200nm。
15.较佳的，所述旋涂的次数为至少2次，转速为800～3000转/分钟，时间为15～30s；所述干燥的温度为60～95℃，时间为1～5小时。
16.较佳的，所述树脂基离子传导层的前驱体溶液的组成包括：有机溶剂、稳定剂、固化树脂、还原剂、引发剂和离子源。
17.有益效果：本发明中，通过引入水溶性较好的nacl作为绿色模板，后续通过简单的水溶解即可消除nacl，最终得到具有介孔结构的无机电致变色层；
本发明中，采用润湿性好，固化过程中体积变化小的树脂浆料作为树脂基离子传导层，能够充分润是和填充其中介孔，提高树脂基离子传导层与无机电致变色层的接触面积，从而提高离子的迁移与传输效率，从而提高其电致变色响应速度。
附图说明
18.图1为传统电致变色器件的结构示意图；图2为本发明中介孔结构的电致变色器件的结构示意图。
具体实施方式
19.以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
20.在本公开中，在无机电致变色层中引入介孔结构，使得uv固化或热固化的树脂基离子传导层能够填充在介孔结构中，提高离子传导层与电致变色层的接触面积，从而提高离子的迁移与传输效率，从而提高其电致变色响应速度。
21.在本发明一实施方式中，电致变色器件由第一透明电极、树脂基离子传导层、具有介孔结构的无机电致变色层和第二透明电极有序构建而成。其中，具有介孔结构的无机电致变色层的材质可为wo3、moo3、tio2、或zno。
22.以下示例性地说明具有介孔结构的无机电致变色层的制备方法。
23.采用水热法或研磨法制备wo3纳米粉体、moo3纳米粉体、tio2纳米粉体、或zno纳米粉体等，粒径可为40～300nm。作为一个wo3纳米粉体的制备示例，包括：称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。
24.按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在第二透明导电电极表面，80℃保温2h。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，将得到的介孔结构的wo3薄膜再在300℃热处理30min，获得介孔结构的无机电致变色层。
25.将有机溶剂、稳定剂、固化树脂、还原剂、引发剂以及离子源按一定比例配置好的树脂基离子导电浆料。再将树脂基离子导电浆料通过丝网印刷法涂覆在第一透明导电电极和具有多孔结构的无机电致变色层中间，通过紫外光固化或者热固化形成完整的器件。优选，通过硬模板和树脂溶液的表面张力控制树脂层的厚度为20～80μm。其中溶剂是将各组分溶解并均匀分散在树脂之后，树脂作为涂层的基材。本发明优选uv光固化树脂，因为其固化温度较低，固化过程中不会产生不利影响。稳定剂是提高树脂在外加电压循环过程中稳定性，提高器件的寿命。还原剂是为了保持离子迁移过程中电荷平衡。引入剂是为了提高树脂的固化速度，避免长时间紫外曝光导致树脂材料龟裂。离子源是用于提供能够在外加电压下迁移的金属阳离子。
26.在可选的实施方式中，有机溶剂可为pma、nmp、dmf中的至少一种。稳定剂可为etpta(乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯)及其衍生物中的至少一种。固化树脂可为泰特尔(tetra)tta21和uc-935中至少一种。还原剂可为二茂铁及其衍生物中至少一种。引发剂可为碘鎓盐、巴斯夫irgacure-127、irgacure-184、irgacure-754中至少一种。离子源可为高氯酸铝、高氯酸锂、高氯酸钠、氯化锂、氯化铝、六氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂等金
属盐。其中，有机溶剂、稳定剂、固化树脂、还原剂、引发剂以及离子源的质量比可为1～3ml)：(0.5～2g)：(1～3g)：(0.05～0.2g)：(0.001～0.005g)：(1～2g)，优选为2:1:1:0.1:0.001:1.5。若是，二茂铁的比例过高时，由于其本身呈现红色将导致器件的调节能力下降，二茂铁比例过低时，则发生还原反应不足，影响器件的电致变色性能。
27.在本发明中，选用的树脂结构简单，孔径大，能够容纳半径更大的阳离子，同时本发明提出的电致变色器件包括多种阳离子，能实现更高的调节性能。与此同时，本专利中选用的树脂固化方式简单，不需要高温高压设备除泡，直接降低了生产成本，有利于产业化推广。
28.在本发明中，无机盐mgcl2、nacl等是一种绿色溶剂，通过简单地水溶解即可去除。对比专利均需要复杂的工艺，并且不环保，也有很大的局限性。其次，本专利引入树脂基电解质并制备完整的器件，对孔隙分布和尺寸做了进一步优化。
29.下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
30.实施例1首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24小时。按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，获得介孔结构的电致变色层。其中wo3薄膜中的孔隙率约为5％。
31.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.1:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度60μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
32.实施例2首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.05称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，其中wo3薄膜中的孔隙率约为2％。如此反复旋涂5次，获得厚度为350nm的介孔结构的电致变色层。
33.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.1:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度60μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
34.实施例3
首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.3称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，其中wo3薄膜中的孔隙率约为10％。如此反复旋涂5次，获得厚度为350nm的介孔结构的电致变色层。
35.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.1:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度60μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
36.实施例4首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，其中wo3薄膜中的孔隙率约为5％。如此反复旋涂5次，获得厚度为350nm的介孔结构的电致变色层。
37.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.1:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度80μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
38.实施例5首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，其中wo3薄膜中的孔隙率约为5％。如此反复旋涂5次，获得厚度为350nm的介孔结构的电致变色层。
39.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.1:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度20μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
40.实施例6首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂4次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，其中wo3薄膜中的孔隙率约为5％。如此反复旋涂4次，获得厚度为300nm的介孔结构的电致变色层。
41.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.1:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度60μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
42.实施例7首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂7次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，其中wo3薄膜中的孔隙率约为5％。如此反复旋涂7次，获得厚度为500nm的介孔结构的电致变色层。
43.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.1:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度60μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
44.实施例8首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，获得介孔结构的电致变色层。其中wo3薄膜中的孔隙率约为5％。
45.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.05:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度60μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
46.实施例9首先采用水热法制备wo3纳米粉体，称取5g钨酸钠粉体和16g草酸，并均匀分散在50ml去离子水中。缓慢滴加1mol/l盐酸，调节ph值至1，最后120℃水热反应24h。按1:0.1称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，获得介孔结构的电致变色层。其中wo3薄膜中的孔隙率约为5％。
47.将pma、etpta、uc-935、二茂铁、碘鎓盐以及高氯酸锂按照2:1:1:0.2:0.001:1.5的比例配置成浆料并搅拌均匀。通过真空灌装于上述介孔结构的电致变色层和ito透明电极之间，控制厚度60μm。之后采用100w的紫外灯，曝光固化15s后，得到介孔结构的电致变色器件。
48.实施例10本实施例10中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照实施例1，区别在于：按1:0.4称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清
洗干净后80℃真空干燥保温2h，获得介孔结构的电致变色层。其中wo3薄膜中的孔隙率约为15％。
49.实施例11本实施例11中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照实施例1，区别在于：按1:0.5称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，获得介孔结构的电致变色层。其中wo3薄膜中的孔隙率约为20％。
50.实施例12本实施例12中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照实施例1，区别在于：无机电致变色纳米粉体为moo3纳米粉体。
51.实施例13本实施例13中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照实施例1，区别在于：无机电致变色纳米粉体为tio2纳米粉体。
52.实施例14本实施例14中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照实施例1，区别在于：无机电致变色纳米粉体为zno纳米粉体。
53.对比例1本对比例1中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照实施例1，区别在于：按1:0称取wo3纳米粉体和nacl粉体，并分散中溶剂中，最终1000rpm旋涂在透明导电电极ito表面，在300℃热处理30min，如此反复旋涂5次。随后采用去离子水缓慢清洗其中的nacl，清洗干净后80℃真空干燥保温2h，获得介孔结构的电致变色层。其中wo3薄膜中的孔隙率约为0％。
54.对比例2本对比例2中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照对比例1，区别在于：无机电致变色纳米粉体为moo3纳米粉体。
55.对比例3本对比例3中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照对比例1，区别在于：无机电致变色纳米粉体为tio2纳米粉体。
56.对比例4本对比例4中介孔结构的电致变色器件的制备过程参照对比例1，区别在于：无机电致变色纳米粉体为zno纳米粉体。
57.响应速度测试方法以及过程：施加-2v-0v-2v-0v的循环电压，测试有着色恢复至褪色态所需要的时间。
58.循环稳定性测试方法以及过程：施加-2v-0v-2v-0v的循环电压，器件的调节能力下降5％时经历的循环次数。
59.表1为本发明制备的介孔结构的电致变色器件的电致变色层组分及性能参数：
60.比较实施例1、2和3，可知孔隙率约5％左右时能够提供最佳的性能；比较实施例1、4和5，可知电解质层厚度最佳约60μm；比较实施例1、6和7，可知电致变色层厚度最佳约为350nm；比较实施例1、8和9，可知二茂铁的比例需调整在一定范围内；比较实施例1、10和11，可知进入增加器件的介孔比例将导至相应速度明显降低。当添加的比例达到1:0.5时，介孔结构将在退火过程中坍塌，性能进一步降低。
61.上述实验表明，本实施例1中制备的样品具有最好的电致变色性能，即最高的响应速度和循环稳定性。此外，二茂铁过多，其本征的橙红色会导致器件的可见光透过率降低。二茂铁过少，则会导致电压循环过程中电荷不平衡，硬性其循环稳定性。