双功能过渡金属氧化物基有序核/壳纳米阵列结构薄膜电极与电容电致变色性能

Energy conservation and environment protection, as well as energy storage are the focus of many research fields. During the electrochemical redox reaction processes, some specific transitional-metal-oxides can change their optical parameters reversibly, and meanwhile show energy storage/release fast, so, these materials might exhibit enormous applications in pseudocapacitive smart windows and electrochromic supercapacitors. In this proposal, bifunctional membrane electrodes based on transitional-metal-oxides with unique electrochromic and pseudocapacitive performance were explored and selected, in order to realize the integral construction of multifunctional devices. By using low-temperature hydrothermal method and in-situ electrodeposition method, oriented core/shell nano arrays membrane electrodes such as WO3 single crystalline nanorods (core) / Nb2O5 amorphous nano layer (shell) etc., were prepared on transparent conducting substrates. The as-synthesized nano structures can increase the specific surface area, shorten the diffusion path of ions and electrons, and guarantee the cycling stability of the electrodes simultaneously. The influence of microstructure of the oriented core/shell nano arrays on the electrochromic and pseudocapacitive properties was studied in detail. The transfer mechanism and kinetics of Li+ ions / electrons between the solid-liquid interfaces of “oriented core/shell nano arrays / electrolyte solution” were also investigated..This proposal supplies a new way for designing and constructing the novel bifunctional pseudocapacitive-electrochromic device, which will be essential both in fundamental research and in technological applications.

节能环保与能量存储是目前研究领域关注的焦点。某些过渡金属氧化物在电化学氧化还原过程中既可以表现出光学属性稳定而可逆的变化，也可以表现出能量快速的存储与释放，有望在大型电容电致变色智能窗、变色型超级电容器领域显示出巨大的应用潜力。本项目探索和发展兼具优异电致变色性能和赝电容性能的双功能过渡金属氧化物基电极材料，实现多功能器件的一体化制备；采用水热和电沉积方法，在透明导电基底上直接构筑新型有序核/壳纳米阵列结构体系如WO3单晶纳米棒（核）/Nb2O5非晶纳米层（壳）等，实现增大比表面积以及缩短离子/电子扩散路径的同时，保证电极材料的循环稳定性；揭示过渡金属氧化物基有序核/壳纳米阵列结构在电致变色和充放电过程中的构效关系；阐明离子/电子在“有序核/壳纳米阵列结构/溶液”界面间的传递过程及动力学机理，为新型双功能电容电致变色器件的设计和研制提供新的思路。具有重要的理论和实际意义。

开发兼具优异电致变色-电容双功能过渡金属氧化物，实现多功能器件一体化制备，是节能环保与能量存储领域关注的热点。如何构建新型有序纳米阵列结构体系，解决电致变色性能与电容性能在某些方面的矛盾，是目前面临的挑战。本项目通过制备系列有序核/壳纳米阵列电极材料，以阐明电致变色与充放电过程的协同机制，获得电致变色-电容双功能性能综合提高的关键参数；明晰电极材料的性能修复机理；发展构建双功能器件的新方法。. 主要研究内容：探索开发兼具优异电致变色和赝电容性能的双功能过渡金属氧化物基电极材料；采用水热-旋涂法，在透明导电基底上直接构筑有序核/壳纳米阵列体系（六方WO3/非晶WO3、六方WO3/非晶TiO2等），揭示电致变色和充放电过程中的构效关系；阐明离子/电子在“有序核/壳纳米阵列结构/溶液”界面间的传递过程及动力学机制；明晰电极材料的双功能修复机理。. 主要研究结果：（1）采用水热-旋涂法，构建了兼具优异电致变色-电容双功能特性的有序WO3基核壳纳米棒阵列/AlCl3水溶液（或LiClO4-PC）体系，证实了电致变色与赝电容性能集成于单一材料的可行性。Al3+离子以其三价特性及较小的离子半径结合有序纳米阵列结构，赋予了WO3基电极材料更为优异的综合性能。（2）阐明了离子/电子在“核壳结构纳米阵列/电解液”界面间的传递过程及动力学机理。核壳结构结合了晶态WO3优异的电化学稳定性以及非晶氧化钨（钛）快速的离子传质和丰富的内部活性孔道结构特点，使得材料具备更为优异的电致变色-电容双功能特性。（3）基于双功能有序TiO2/WO3复合纳米棒阵列电极材料，发展出一种高电压去陷阱方法，成功恢复了降解材料的电致变色-电容性能；利用“离子陷阱”（可消除陷阱和不可消除陷阱）理论模型解释了材料在循环过程中的降解原因。. 我们发展出的基于过渡金属氧化物有序核/壳纳米阵列结构体系，为新型双功能电致变色-电容器件的设计和研制提供了新的思路。具有重要的科学意义和实际应用价值。