一种电致变色器件及其制备方法和使用方法

1.本发明涉及一种电致变色器件及其制备方法和使用方法，属于电致变色技术领域，具体可以在显示、智能窗等领域应用。


背景技术：

2.电致变色玻璃在外电场作用下可以发生可逆的光学性能变化，实现透明和遮光状态的自由切换，是一类可以实现动态调节光性能的节能玻璃产品，在建筑智能窗、显示等领域具有十分广阔的应用前景。然而，目前电致变色器件通常由透明导电层，电致变色层，电解质层，离子存储层及透明导电层五个功能层组成。这类传统的电致变色器件需在器件两端施加正、反向电压从而达到可逆变色的效果，因此器件需要附加的正、反向电路设计，这使得产品结构复杂化，也增大了产品的安装难度。
3.现有技术提出可采用还原性金属作为离子存储层的构思，利用还原性金属与电致变色材料的电势差构成内建的电池，使其达到自褪色或自变色的功能。如自充电电致变色电池的概念被提出，普鲁士蓝与还原性金属al可构成电致变色电池，仅通过连接普鲁士蓝与金属al即可实现电池的自放电，电池放电后普鲁士白可被氧气氧化着色恢复为普鲁士蓝，实现了电池自充电，然而这个过程非常缓慢。后续研究者们通过在电解液中滴加氧化剂实现了电致变色电池快速自充电。但这种设计要求器件不能封装，因此难以实际应用。因此，上述构思整体上仍然是一种开放式的结构，在产品设计及安装等过程存在较多的不足；尤其是它的可逆过程极慢，导致在实际应用时仍需要施加外加电压才能实现快速的逆反应。因此，提供一种可实现自驱动快速的逆反应的电致变色器及其制备方法是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有电致变色器件需要外加电压才能实现快速的逆反应的问题，提供一种自驱动电致变色器件及其制备方法和使用方法。
5.本发明的技术方案：
6.本发明的目的之一是提供一种电致变色器件，该电致变色器件包括负极、正极和电解质溶液，电解质溶液充满负极和正极之间，负极为金属镍电极，正极为表面附着有电致变色层的透明电极，电解质溶液含有镍离子。
7.进一步限定，透明电极为表面附着有电极层的透明基底。
8.更进一步限定，电极层材质为ito、fto、金属纳米线、导电聚合物、石墨烯、碳纳米管或碳纳米纤维。
9.更进一步限定，透明基底材质为玻璃、pet、pdms或pi。
10.进一步限定，透明基底材质为玻璃、pet、pdms或pi。
11.更进一步限定，镍盐为硫酸镍、氯化镍、硝酸镍或三氟甲基磺酸镍。
12.进一步限定，电解质溶液中镍离子浓度为0.01～10mol/l。
13.本发明的目的之二是提供一种上述电致变色器件的制备方法，该方法包括以下步
骤：
14.s1，在透明电极表面制备电沉积电致变色层，得到正极；
15.s2，配置电解质溶液；
16.s3，将电解质溶液封装在正极和金属镍电极之间，组装获得的电致变色器件。
17.进一步限定，s1中电沉积溶液包含20mmol/lfecl3,20mmol/lk3fe(cn)6,0.5mol/l kcl和0.2mol/lhcl。
18.本发明的目的之三是提供上述电致变色器件的使用方法，该方法为：将电致变色器件的两电极分别与太阳能电池的两极相连接时，自发着色；电致变色器件的两电极短接时，自发褪色。
19.本发明采用金属镍作为负极，含有镍离子的溶液作为电解质溶液，以及在氧化过程中着色、还原过程褪色的电致变色材料作为正极组装成电致变色器件，当该电致变色器件的两极与太阳能电池的两极相连接时，可以自发着色，当将该电致变色器件的两极短接时，器件内部形成的电位差将会使得器件逐渐褪色，继而实现自发褪色。与现有技术相比本技术还具有以下有益效果：
20.(1)本发明提供的电致变色器件着色过程能耗仅为24.86mwh/m2，这得益于镍离子小的离子半径，插入变色材料晶格内部需要小的驱动力，带来小的能耗。
21.(2)本发明采用原位电沉积的方式制备普鲁士蓝电致变色层，可以克服电致变色玻璃大面积推广的障碍。
22.(3)本发明提供的电致变色器件可以作为智能窗使用，与太阳能电池相连接，可以自发着色，作为智能窗减少射入室内的日光，而当需要器件褪色时，只需将电致变色器件的正极与负极相互短接，控制方式简单且方便。
附图说明
23.图1为实施例1制备的电致变色器件在着色和褪色过程的实物图；
24.图2为实施例1制备的电致变色器件着色过程中的能耗；
25.图3为实施例1制备的电致变色器件着色态和褪色态的透光率谱图；
26.图4为实施例1制备的电致变色器件在正向、反向电压下透光率的原位变化情况；
27.图5为实施例1制备的电致变色器件多次循环后的稳定性表征结果图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
30.实施例1：
31.本实施例制备电致变色器件的具体过程按下述步骤进行：
32.(1)将ito导电玻璃依次采用丙酮、乙醇超声清洗10min，随后烘干。
33.(2)配置普鲁士蓝液，将等体积的20mm fecl3、20mm k3fe(cn)6、0.5m kcl和0.2m hcl混合，获得普鲁士蓝液。
34.(3)电沉积普鲁士蓝，清洗后的ito导电玻璃为阴极，铂片为阳极，步骤(2)制备的普鲁士蓝液为沉积液，沉积电压为-0.5v，沉积时间为100s，在ito导电玻璃上附着电致变色层。
35.(4)配置电解质溶液，将等体积的0.5m ni(otf)2和0.5m kcl混合，获得电解质溶液。
36.(5)以金属镍为负极，普鲁士蓝电极为正极，步骤(4)配置溶液为电解质溶液，组装电致变色器件。具体操作过程为：首先，将双面胶带粘贴于沉积普鲁士蓝之后的ito导电玻璃四周，随后将金属镍裁剪成条状，粘贴于双面胶带表面，再将步骤(4)获得的电解质溶液滴加于双面胶框架内，并将一块不导电的普通透明玻璃覆盖于表面。
37.对上述获得的电致变色器件进行性能测试：
38.(1)对电致变色器件进行着色和褪色测试：
39.如图1所示，将电致变色器件的正极和负极分别与太阳能电池的正极和负极连接，此时电致变色器件开始着色，原理为太阳光辐照太阳能电池，产生电压，驱动电致变色器件着色，此时在给电致变色器件充电；当将电致变色器件的正极和负极短接时，相当于电池放电过程，从而使得电致变色器件逐渐褪色。电致变色器件变色过程方程式如下：
40.负极：ni＝ni
2
2e-41.正极：kfeⅲ[feⅱ(cn)6](pb) k

e-＝k2feⅱ[feⅱ(cn)6](pw)
[0042]
(2)对电致变色器件着色过程中能耗进行测试，结果如图2所示，由图2可知，该能耗能耗为24.86mwh/cm2，这主要是由于镍离子小的离子半径，插入变色材料晶格内部需要小的驱动力，带来小的能耗。
[0043]
(3)对电致变色器件褪色态和着色态进行透光率测试，结果如图3所示，由图3可知，在633nm时，光学调制范围达39％，这说明以金属镍为负极可以实现普鲁士蓝电致变色材料的充分变色。
[0044]
(4)对电致变色器件在正向、反向电压下透光率的原位变化情况进行表征，结果如图4所示，在周期性的电压变化下，器件呈现周期间颜色变化，这说明以镍为负极的电致变色器件可以在不同的电压下灵敏的实现颜色和透光率的转换。
[0045]
(5)对电致变色器件使用恒电流充放电模式进行着色态和褪色态切换时的典型循环次数-透光率变化值数据(在波长633nm处)，结果如图5所示，经过一千次循环后，器件仍然维持着稳定的电致变色性能，这说明以金属镍为负极的电致变色器件具有优异的循环稳定性，可以长期稳定的工作。
[0046]
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。