稀土和非金属共掺杂氧化钨介晶的有效合成及其电致变色行为研究

Electrochromic devices can alter the spectrum feature of light with dynamic, reversible, and smart regulation, which provide a new route for energy saving and energy transformation. Electrochromic materials are the fundamental components of the electrochromic devices. Preparation of high-performance and stable electrochromic materials is the key to the development of high-quality electrochromic devices..In view of the common problems associated with the present electrochromic materials, combined with the rapid development of nanoscience and nanotechnology in recent years, the project develops a two-step process to prepare novel rare-earth and non-metal-doped electrochromic mesocrystal composite with low-dimensional nanostructured non-stoichoimetric tungsten oxide as template. The electrochromic performance of the tungsten oxide can be improved by multiple effects on the basis of synergistic combination of doping processes with mesocrystal building and thin film deposition. The project will systematically investigate the effect of synthesis, growth, and doping processes and parameters of low-dimensional nanostructures on the morphology, microstructure, crystal structure, dimension, self-assembly, surface and interface structure, physical property, and electrochromic performance of the final mesocrystal composite. In combination with structure refinement and quantum computation, the project will also probe into the electrochromic mechanism of the novel nanostructured mesocrystal composite in detail, providing theoretical support and foundation for the design of high-quality electrochromic devices.

电致变色器件可以对光的光谱特性实现动态、可逆和智能调控，为我们提供了一种理想的节能和能源转变的新方法。电致变色材料是电致变色器件的核心部分，制备性能优异且稳定的电致变色材料是发展高质量电致变色器件的关键。.本项目针对目前电致变色材料存在的普遍问题，结合近年来快速发展的纳米科学和技术，以低维纳米结构非化学计量氧化钨为研究基础，通过两步掺杂法制备一种稀土和非金属共掺杂的新型电致变色介晶复合材料。项目创新性地将元素掺杂与介晶构筑和薄膜制备工艺协同整合，通过多重作用提高氧化钨的电致变色性能。项目将系统研究低维纳米材料合成、生长与掺杂等工艺过程和参数对介晶复合材料的形貌、微观结构、物相、尺寸、自组装、表面和界面结构、物性以及电致变色性能的影响和影响规律，同时结合结构精修和量子计算，深入探讨新型介晶复合材料的电致变色行为和机理，为高性能电致变色器件的设计提供理论基础和支持。

在本项目的资助下，项目组成员在氧化钨基电致变色材料的可控合成、掺杂改性、多相复合、性能检测、机理分析等方面开展了一系列的研究工作，重点研究了稀土元素掺杂氧化钨纳米介晶复合材料的制备及其电致变色性能，初步掌握了氧化钨基电致变色材料掺杂工艺—微观结构—变色性能的协调关系，完成了主要的研究内容，取得了一定的科研成果，达到了预期的研究目标。. 本项目的具体总结如下：. 1．通过溶剂热合成法成功制备出氧化钨纳米花介晶结构，氧化钨花纳米介晶结构由大量的氧化钨纳米线构筑而成，避免了传统单一的一维纳米结构氧化钨的普遍团聚现象，为电致变色薄膜的制备提供了高质量的原材料。氧化钨纳米花介晶作为电致变色材料具有稳定的电致变色性能和良好的可逆性，响应时间短，对光线的可调节范围超过60%。同时，研究了氧化钨基纳米结构电致变色材料大规模合成的制备工艺和相关机理，探索了氧化钨电致变色材料大规模合成的可能性，为氧化钨基电致变色器件的商业化应用创造了条件。. 2．通过溶剂热合成法成功制备出镧、铈、钕、钇等稀土元素掺杂氧化钨纳米介晶复合材料，分析了工艺参数对掺杂氧化钨产物的形貌、结构、表面特性和电致变色性能的影响，同时自组装了灵巧型电致变色器件，探索了电致变色薄膜的制备工艺。电致变色性能分析表明，镧掺杂氧化钨的变色效果一般，着色和褪色对比度不高，铈、钕、钇掺杂氧化钨在较低的电压下均表现出明显的变色效果。同纯氧化钨相比，稀土元素掺杂氧化钨的调光对比度有所降低，但其褪色态颜色较深，拓宽了氧化钨的调光范围，而且响应时间加快，为电致变色领域提供了新的原材料。另外，通过高温气氛法，以三聚氰胺为氮源，成功实现氧化物的非金属元素掺杂。. 3．创新性地将氧化钨一维结构与石墨烯二维结构相结合，成功制备出氧化钨-还原氧化石墨烯新型电致变色复合材料。在氧化钨中引入石墨烯二维结构，通过石墨烯与氧化钨的协同复合效应，一方面优化了氧化钨微/纳结构的生长和分散，另一方面提高了变色和褪色过程中电子与离子的迁移速度，增强了氧化钨的响应时间和光谱调控范围。. 在本项目的资助下，已在Electrochimica Acta、RSC Advances等期刊发表SCI论文6篇，申请发明专利1项，撰写教材一部。