新型过渡金属氧化物电致变色介观体系及其反应动力学研究

The appearance of most transition-metal oxides (TMOs) varies due to the insertion/deinsertion of ions/charge in the oxide surface within one electrochemical redox cycle, which could be indicated and detected by the changed colors. Hence, the kinetic factors impacting the electrochromic rate could be systematically investigated by measuring the coloring/decoloring speed of TMO materials. In the application, a mesoscopic electrochromic system based on TMOs could be introduced by conjugating the state-of-art design of nano/micro devices with the optical microscope measurement system to study the reaction rate via direct capture and analysis of indicating phenomena, i.e. the varied colors. Therefore, the variables could be well controlled externally like temperature, concentration, applied potential, and the morphology and conductance of TMO materials in order to build up a kinetic model to predict exactly the electrochromic rate, and finally we could select TMO materials according to the kinetic model to fabricate electrochromic devices whose performance could be optimized maximally.

多数过渡金属氧化物（transition metal oxide，TMO）在电化学还原氧化过程中伴随着离子/电荷的注入/释放，同时发生自身颜色的改变。利用这一伴随现象，可将变色反应速率的测量转换成对变色快慢的光信号的捕捉和分析，进而研究影响变色反应的动力学因素。在本申请书中，拟结合微纳加工工艺和显微观测平台构建新型TMO电致变色介观体系并采用变量控制法定量分析研究影响TMO电化学还原氧化反应的动力学变量，如环境温度、底物浓度、电极电势、TMO形貌与电导率等，建立TMO变色性能与对应结构的一般动力学模型，并在此模型的指导下筛选TMO变色材料、调控其微结构，最终优化并提高宏观TMO电致变色器件的性能。

电致变色过渡金属氧化物（electrochromic transition metal oxide, ETMO）在电化学氧化还原过程中可实现对光透过率的调控，在建筑、显示等方面具有重大的应用潜力，但电致变色反应往往涉及到离子在ETMO体相内的扩散，该扩散过程缓慢，主要由离子大小和ETMO晶体结构决定，故研究ETMO结构对电致变色反应动力学影响并理清构效关系对设计或寻找新的电致变色材料体系具有明显的指导意义。本项目以此着手，用金红石相二氧化钛（TiO2）纳米线薄膜（TNF）的电致变色反应作为研究对象，从外和内两个方面先后探讨了TiO2结构与电致变色动力学过程之间的关系。.外：采用原子层沉积的方式在TNF表面修饰一层新的具有不同结构的TiO2，控制修饰层厚度实现对变色效率、变色时间等性能参数的有效调控，并利用HRTEM、XPS、EIS等表征手段对修饰层结构和离子扩散系数的演变作出分析，提出了电致变色反应动力学过程示意图；.内：采用水热法合成的TNF结构本身含有大量缺陷，如晶界、层错、位错等，这些缺陷的产生来源于TiO2中氧的减少，而氧的含量可以通过退火控制，从而有效地改变了TNF本身的晶体学结构。用具有不同晶体学结构的TNF参与电致变色反应，在相同的实验条件下观察动力学参数的演变关系，如伏安曲线中定点电流的大小、方波循环中反应时间的改变等，加深了对ETMO电致变色机理的认识，即，在电致变色反应中，结构缺陷通过牺牲时间效率来提升变色效率且稳定性变差。.该项目通过研究不同结构的TNF参与电致变色反应时动力学参数的差异，加深对构效关系的理解，建立变色反应的动力学模型，为设计新的电致变色体系提供参考。