[发明专利]一种钛掺杂氧化镍电致变色薄膜的溶剂热制备方法

说明书

本发明涉及一种钛掺杂氧化镍电致变色薄膜的溶剂热制备方法。以无水乙醇为溶剂配置硝酸镍、聚乙二醇、钛酸四正丁酯混合溶液，倒入反应釜。将FTO基体做清洗、干燥处理。将基体导电面朝下置于反应釜，130℃‑180℃反应4h‑8h；将清洗后的样品置于坩埚中，60℃‑80℃干燥1h‑2h后送入马弗炉，300℃‑400℃煅烧2h；获得电致变色性能良好、结构均匀的钛掺杂氧化镍电致变色多孔薄膜。该多孔膜由纳米片构成，纳米片亦为由纳米颗粒组装成的多孔结构，赋予薄膜大比表面积，有利于变色反应中电解液渗透、电荷传输和离子迁移；钛掺杂可调控薄膜半导体特性，使薄膜具有较短响应时间、较大光调制、较好稳定性和寿命。

技术领域

本发明属于一种钛掺杂氧化镍电致变色薄膜的制备技术方法，具体涉及一种以无水乙醇为溶剂的钛掺杂多孔结构氧化镍电致变色薄膜的溶剂热制备方法，涉及低维功能材料领域。

背景技术

电致变色是指只在几个伏特的外电压驱动下材料的透光率、颜色等光学性能即可发生稳定、可逆变化的现象，具有相应特性的材料被统称为电致变色材料。这种功能材料自被发现以来就引起了广泛关注，目前已有一些产品应用于建筑物的外墙玻璃、汽车防眩光后视镜、显示、飞机的舷窗等方面。但是，由于现有电致变色材料在性能方面存在的问题(例如响应时间长、变色程度和波长范围小、使用稳定性差、寿命短等)，使其距离大规模的应用还有一段距离。

电致变色材料一般分为有机和无机两类。其中，无机电致变色材料以过渡金属氧化物为主，以氧化钨(WO₃)和氧化镍(NiO)为代表。按照致色原理，电致变色材料又被分为阳极致色材料和阴极致色材料。NiO作为一种阳极致色无机电致变色材料，具有合适的变色电压窗口、光学对比度大、原料丰富和成本低等优点，因此是被研究最多的材料。

国内外相关研究表明，电致变色材料的电化学性能很大程度上取决于制备工艺和最终获得的结构。目前已有的制备方法很多，比较常用的方法包括溶胶-凝胶法、电化学沉积法、化学浴沉积法、喷雾热解法、磁控溅射法、电子束蒸发法、水(溶剂)热法等等。其中，水(溶剂)热法不需要昂贵的实验设备，制备成本低，且可以通过控制反应配比、时间、温度、浓度等参数来控制电致变色(薄膜)材料的微观结构、厚度、粒度、孔隙度等参数，实现对性能的控制，因此是非常有竞争力、有前途的技术，在近年来越来越受到重视。本发明中使用的是溶剂热法，采用无水乙醇为溶剂，成本低且无毒，不会对人体和环境造成危害。虽然，已有采用其他有机物(试剂)为溶剂的溶剂热法制备NiO电致变色薄膜的报道，例如陈甜等人使用十八烯作为溶剂热法的溶剂(化学学报,2019,77(05):447-454.)，但业内人士均知，不同的溶剂将影响制备参数(制备工艺)，从而最终影响产品的结构和性能。另外，相关的研究亦表明，具有多孔结构的电致变色材料在电荷传输方面具有优势，对解决前文提到的问题有积极作用。

目前，改善电致变色材料结构和性能的主要技术包括开发新技术、掺杂改性、设计构筑纳米结构和复合材料等方法。本发明涉及开发新技术和掺杂改性两种方式，采用本发明技术可以制备出结构和性能优异的NiO电致变色材料。本发明通过元素掺杂实现对NiO电致变色薄膜能带结构的调控，从而实现对变色过程中电荷传输的调控，最终实现对变色性能的调控。元素掺杂还可以在晶体内部形成大孔隙的通道结构，使离子和电子的电导率提高，从而加快NiO薄膜电致变色的响应速率。本发明中选择钛作为掺杂元素，其原因是Ti⁴⁺的离子半径比Ni²⁺的离子半径小，非掺杂NiO通常是p型半导体，通过控制Ti⁴⁺掺杂量，可以对NiO的半导体特性进行连续调控，使NiO的半导体特性在p型和n型之间控制转换，从而达到对变色过程中电荷传输特性的调控，以至于对电致变色性能的调控。

发明内容