基于水热生长的普鲁士蓝及其类似物的自充电电致变色器件制备与性能

Electrochromic devices have shading and energy-saving effects by tuning indoor light and heat. Conventional electrochromic materials need external potentials to make their color changeable and they cannot be used as self-rechargeable batteries. In this project, we will study the fabrication and properties of self-rechargeable electrochromic devices based on Prussian blue and its analogues. To enhance the cycling stability of the device, nanostructured Prussian blue and its analogues will be directly grown on transparent and conductive glasses; to enhance the self-recharging rate, soluble ferric chloride with a suitable oxidizing ability will be used as the oxidizing agent. By studying the relationship between the crystal phase, morphology, particle size, crystallinity, film thickness of nanostructured Prussian blue and its analogues and the concentration, ratio, reaction conditions, the growth mechanism of nanostructured Prussian blue and its analogues will be proposed. By studying the thermodynamic and dynamic characteristics of redox reactions between oxidizing agent and reduced electrochromic materials, and materials-devices-properties congruent relationship of material structures, device configurations and properties of self-rechargeable electrochromic devices, the basic scientific law for performance optimization of devices will be elucidated; the essence of self-rechargeable electrochromic devices will be revealed and a scientific guidance for the fabrication of high-performance self-rechargeable electrochromic devices will be provided.

电致变色器件可调节进入室内的光线和热量，具有遮光和节能作用。传统的电致变色器件需要外部电源供电才能变色，也不能用作自充电电池。本项目旨在开展基于水热生长的普鲁士蓝及其类似物的自充电电致变色器件的制备与性能研究。采用水热法直接在透明导电玻璃上生长纳米普鲁士蓝及其类似物以改善器件的循环稳定性；采用氧化能力适中且可溶于电解液的氯化铁作为氧化剂以提高器件的自充电速度。研究普鲁士蓝及其类似物纳米结构的晶相、形貌、颗粒尺寸、结晶性、薄膜厚度与反应物的浓度、配比、反应条件之间的关系，提出普鲁士蓝及其类似物纳米结构的生长机理。研究氧化剂与还原态的电致变色材料之间发生氧化还原反应的热力学和动力学特征，研究自充电电致变色器件的材料结构、器件组成与性能之间的材料——器件——性能对应关系，阐明器件性能优化的基本科学规律，揭示自充电电致变色器件的本质，为高性能自充电电致变色器件的制备提供科学依据。

电致变色器件具有与二次电池相似的特点，当电致变色材料用作电池的正极材料时，电池的颜色与容量有着对应的关系，可以通过观察电池的颜色来判断其容量。我们用葡萄糖和抗坏血酸作还原剂，在水热条件下与铁氰化钾反应，首次直接在透明导电玻璃上生长出了纳米普鲁士蓝薄膜。普鲁士蓝电致变色器件在700 nm处器件的光学调制幅度可达58%，器件的着色效率为52.4 cm2•C-1。与电沉积的普鲁士蓝薄膜相比，水热生长的普鲁士蓝薄膜与衬底结合更加牢固。提出了纳米普鲁士蓝薄膜在水热条件下的生成机理。水热生长的纳米普鲁士蓝电致变色器件可用作电池，其最大电压为1.1 V，放电容量为51.9 mAh g-1，放完电的器件可以在空气中自发的恢复，因此是一种自充电电池。通过调整实验中所用的酸并改变反应条件，在120 oC水热反应2 h后，在透明导电玻璃上直接生长出了纳米普鲁士绿薄膜。普鲁士绿电致变色器件可在绿色、蓝色和无色状态之间转换。器件在无色状态下与蓝色、绿色状态之间的光学调制幅度分别为58%和42%。与电化学制备的普鲁士绿薄膜相比，水热生长的普鲁士绿薄膜表现出更好的循环稳定性。提出了纳米普鲁士绿薄膜的生成机理。将水热生长的普鲁士绿薄膜用于自充电电池，其最大电压为1.5 V，放电容量为60.4 mAh g-1，大于普鲁士蓝的放电容量。采用电沉积法制备出聚吡咯薄膜，再将它与铝片组装成电致变色器件。聚吡咯/铝器件的着色态为黑色，褪色态为黄色。器件在波长698.5 nm处的光调制幅度为59%。聚吡咯/铝器件也可用作自充电电池，其开路电压为0.94 V。器件在经过24 h的恢复后，容量可达到67.0 mAh g-1，恢复到其初始容量的89.0%。提出了聚吡咯/铝器件的自供电和自充电机理。.通过本项目的研究，在透明导电玻璃上直接水热生长出纳米普鲁士蓝薄膜、纳米普鲁士绿薄膜、电沉积制得聚吡咯薄膜，制备了基于以上薄膜的自供电和自充电电致变色器件，研究了它们的电化学性能，研究了普鲁士蓝、普鲁士绿纳米结构的晶相、形貌、结晶性与反应温度与时间等影响因素之间的关系，提出了普鲁士蓝、普鲁士绿纳米结构的生成机理及器件自充电的机理。