[发明专利]三氧化钨/聚苯胺核壳纳米线阵列变色薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种三氧化钨/聚苯胺核壳纳米线阵列变色薄膜及其制备方法。

背景技术

电致变色（Electrochromics,EC）是材料在外加电场的作用下光学性能发生可逆变化的现象。电致变色器件仅需要很低电压（2V左右）即可工作，开路状态下可以长时间保持原有着色或褪色状态不变，因此耗能比较少。电致变色器件（Electrochromic devices，ECD）有望应用在建筑节能窗户、汽车防眩光后视镜、显示设备、变透过率眼镜、汽车天窗以及航天器的表面温度控制等。电致变色材料一般分为三种，即无机电致变色材料（一般是过渡金属氧化物）、有机单分子变色材料（如普鲁士蓝、紫罗精、金属酞菁类化合物等）以及导电高分子材料（如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等）。三氧化钨（WO₃）作为一种无机电致变色材料，具有化学性质稳定、与基底结合力强等优点，但存在颜色变化单一和变色缓慢的缺点。相比而言，导电高分子材料则具有许多无机材料所不具备的优点，如颜色丰富、变色迅速、柔韧性好并且可通过分子设计方式优化其性能。聚苯胺（polyaniline，PANI）是在所有导电高分子中最被看好的电致变色材料。聚苯胺的特点是：合成简单，性能可调，颜色丰富，且具有比其他导电高分子材料更好的稳定性。聚苯胺由于在分子电子器件、太阳能电池和电致变色领域的广泛应用前景而成为研究热点。但是，聚苯胺具有相对较低的化学稳定性（相比无机材料而言）以及很差的加工性能等缺陷限制了它在这些领域的应用。

无机-有机复合材料由于能兼具两种甚至更多种优越性能。近年来，许多人致力于将金属氧化物（如WO₃、TiO₂、NiO及ZnO等）填充进聚苯胺制备无机-有机复合薄膜。由于这些氧化物不是规则的阵列结构导致聚苯胺和氧化物不能很好地结合，两相混合不均，也不能形成完整包覆的结构，因此，需要提出一种新的制备方法来获得性能优异的复合材料。

申请公布号为CN102352109A（申请号为201110186596.5）的中国发明专利申请公开了一种有机-无机复合电致变色薄膜及其制备方法，其方法包括：（1）将1份体积的含钨元素浓度为1～5mol/L的过氧化钨溶液与10份体积的0.01～0.1mol/L苯胺溶液充分混合；（2）以表面经羟基化处理的ITO玻璃或者表面经羟基化处理的ITO/PET为基底，并将所述的基底垂直竖立并固定于反应容器中，然后将步骤（1）制备的混合溶液倒入所述的反应容器中并搅拌；（3）将1份体积的0.05～0.5mol/L的过硫酸铵溶液，倒入步骤（2）的反应容器中，搅拌下进行反应；（4）反应完全后，将沉积有薄膜的基底从溶液中取出，用去离子水和乙醇冲洗后真空干燥得到聚苯胺与三氧化钨的复合薄膜，复合薄膜的表面具有纳米棒阵列形貌。但是其为混合结构，离子扩散的效率和反应的比表面积均较低，光谱调节范围小，电致变色性能不理想，有待进一步提高。

发明内容

本发明提供了一种三氧化钨/聚苯胺核壳纳米线阵列变色薄膜及其制备方法，该制备方法的制备工艺控制方便，制造成本较低，易于实现工业化。

该制备方法实现了聚苯胺很均匀的包覆在三氧化钨的外围，可以构成donor–acceptor系统，还能避免三氧化钨在变色过程中的溶解，得到的三氧化钨/聚苯胺核壳纳米线阵列变色薄膜不仅能够提高离子扩散的效率还能够提高反应的比表面积，从而能够大大提高电致变色性能。

一种三氧化钨/聚苯胺核壳纳米线阵列变色薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）将白钨酸溶于过氧化氢水溶液，加水配制成含钨浓度为1～5mol/L的过氧化钨酸溶液；

2）将步骤1）中的过氧化钨酸溶液涂在清洁干净的导电基底的导电面上，得到覆盖有晶种层的导电基底；

3）将钨盐溶于醇中，形成前躯体溶液，将步骤2）中的覆盖有晶种层的导电基底固定于反应釜中，将前躯体溶液加入反应釜中，在150℃～250℃反应8h～16h，取出后再在300℃～450℃热处理1h～3h，得到三氧化钨纳米线阵列；

4）将苯胺与稀硫酸混合，形成用于制备聚苯胺的电解液；

5）将步骤3）中的氧化钨纳米线阵列为工作电极、Ag/AgCl电极为参比电极以及铂片电极为对电极，采用步骤4）中用于制备聚苯胺的电解液，在电化学工作站上用循环伏安的方法电聚合聚苯胺，得到三氧化钨/聚苯胺核壳纳米线阵列变色薄膜。