氧化钨/凝胶电解质多功能界面的变温光电性能与机理研究

Tungsten oxide electrochromic materials have broad application prospects in the fields of smart windows and information display. However, the deterioration of electrochromic performance at low temperature hinders its popularization. And the single-functional device without environmental awareness can not meet the future needs of intelligent application. In this project, an interface based on tungsten oxide film and gel electrolyte will be constructed to explore the new method of functional integration. And the optoelectric properties of the interface at different temperature will be investigated. The contents include:1, Through the functional design of the interface, the functions of electrochromism and ultraviolet detection can be achieved by the reactions between tungsten oxide and cation/anion in the electrolyte. Then, device performances and working mechanisms of the two functional modes will be studied in depth. 2, The gel electrolyte with excellent temperature stability will be prepared. Effects of temperature on ion transportation and the interfacial impedance will be explored with variable temperature characterizations. The reason about the deterioration of electrochromic performance at low temperature will be revealed. The results of this research will establish a multifunctional interface model to propose a new strategy for the functional integration of optoelectric devices. Moreover, it can provide theoretical guidances and experimental evidences for designing electrochromic devices working in wide temperature range, and further promote the development of electrochromic technology.

氧化钨电致变色材料在节能窗户、信息显示等领域具有广泛的应用前景。然而，低温下电致变色性能劣化制约了其推广使用。器件功能单一、缺乏环境感知能力也无法满足智能化的需求。基于此，本项目以电致变色器件的核心——氧化钨/电解质层的界面为研究对象，探索功能集成的新方法，并研究界面在变温条件下的光电性能。具体包括：1）通过界面的功能性设计，使氧化钨与电解质中的阳离子和阴离子参与不同的化学反应，分别实现电致变色功能和紫外探测功能，赋予电致变色器件感知环境光的能力，并深层次揭示两种功能模式的工作机理。2）合成宽温域的凝胶电解质，建立变温条件下的光电性能表征方法，阐明温度对氧化钨/凝胶电解质界面阻抗和离子输运行为的影响规律，揭示低温下电致变色性能劣化的原因。本项目的研究有望建立一种新的界面模型，为光电器件的功能集成提供新思路；同时还将为设计宽温域电致变色器件提供实验依据和理论参考，推动电致变色技术的发展。

氧化钨基电致变色材料在施加外电压刺激下能够灵活地改变颜色和透过率，因而在节能窗户、信息显示等场景具有广泛的应用前景。温度作为重要的环境参数对氧化钨材料的电致变色性能有重要影响，但其影响规律和机理缺乏深入研究。另一方面，电致变色器件缺乏环境感知能力，设备智能化水平有待提高。针对上述问题，本项目以氧化钨与电解质层的界面为研究对象，研究界面在变温条件下的电致变色性能与影响机理，并探索功能集成的新方法。在获得青年基金项目资助后，本项目研究人员严格按照申请书中的原计划开展实验工作。围绕电致变色材料的核心研究内容大胆创新，在材料的合成、性能优化和应用拓展三方面进行了富有成效的研究，出色地完成了预期的研究目标。主要研究成果包括：1）合成了一系列性能优异的氧化钨基电致变色材料。我们开发了一种自掺杂氧化钨薄膜的绿色合成工艺；通过与MXene二维材料复合，同步提升了氧化钨薄膜的离子和电子输运行为；引入铝离子水凝胶构筑了简单的凝胶界面，设计出一种由内部化学势驱动的电致变色装置。2）阐明了温度、电解质浓度等参数对氧化钨电致变色性能的影响规律。我们研究发现氧化钨电致变色过程中离子扩散系数与温度之间存在阿伦尼乌斯型关系；首次将高浓度盐包水电解质引入锌基电致变色器件中，解决了锌离子滞留和寿命短的问题。3）提出了阴阳离子协同作用的功能集成新方案。我们制备出的单一器件具有光电探测、电致变色和光辅助显色三种功能，可以检测、屏蔽和追踪紫外线辐射。我们提出了一种基于有机水凝胶电解质的双功能仿生眼，通过感光和调光能力的耦合显著提升了光电器件的智能化水平。这些研究成果使得氧化钨基电致变色材料有望在智能窗、透明显示器等高新技术领域发挥更大的应用潜力。在本项目的资助下，培养了两名研究生毕业，研究进展发表了8篇SCI论文，并授权了两项中国发明专利。