掺杂型氧化镍纳米结构的制备与电致变色性能研究

作     者：申碟 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张勇

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：氧化镍 离子掺杂 化学浴沉积 纳米片结构 电致变色 

摘      要：电致变色材料是在施加电压时,材料的光学特性发生可逆变化的现象,在宏观上表现为颜色和透明度的变化。主要应用于智能窗、汽车防眩后视镜、显示器、军用伪装、红外隐身和红外热辐射调控等领域。本论文采用化学浴沉积法制备了NiO超薄多孔纳米片结构薄膜,系统研究了工艺参数和离子掺杂与纳米片薄膜的微观结构、表面化学状态和电致变色性能的关联,并对薄膜电致变色的动力学特征与变色机理进行了探讨与分析比较研究。主要研究结果如下:(1)采用一种操作简单的室温化学浴沉积方法在氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃基板上合成了NiO多孔纳米片薄膜。在工艺优化的基础上制备的NiO薄膜具有独特的多孔结构,光学调制幅度达到64%,着色时间为7.2s,褪色时间为1.3s,变色效率为30.6 cm/C。随后进行了掺杂改性,在优化后的基础配方溶液中并在一定的工艺条件下通过添加不同浓度的亚铁盐,研究了铁掺杂对NiO纳米片薄膜的微观结构形貌和电致变色性能的影响。结果显示,纳米片的孔径随铁元素掺杂量的增多而增大。碱性环境下的电化学测试表明,铁掺杂量为0.1%的NiO纳米片薄膜具有最优的电致变色性能,包括褪色态状态下透射率高(98%),着色效率高(CE达49.8 cm/C),响应时间短(褪色时间为1.2s,着色时间为4.1s)等优点。根据阻抗测试结果,铁的掺杂使得薄膜的阻抗显著减小是薄膜性能获得提升的一个重要原因。(2)研究了钛元素掺杂对NiO薄膜的微观结构与电致变色性能的影响。掺杂后的薄膜仍然保持多孔结构,并且钛的掺杂可以提高薄膜的结晶度。通过对掺杂量的调节,发现钛掺杂量为0.2%时性能最佳。并且适量的钛掺杂有利于Ni元素氧化性的提高,这有利于电致变色性能的改善。根据光谱测试的结果,钛掺杂量为0.2%时可以获得最优的电致变色特性,其中光学调制范围最大可达77%,并且循环稳定性明显提高(循环500圈后对比度仍然有61%),其变色效率为42.6cm/C,着色时间为9.8s,褪色时间为2.3s。(3)探索了铁、钛元素的共掺杂对NiO纳米片薄膜的微观结构与电致变色性能的影响。铁和钛的掺杂百分比都为0.1%的氧化镍薄膜(NiO-Fe0.1Ti0.1)的光学调制对比度最高。成分分析显示和钛掺杂相比,铁更易掺杂进NiO晶格中。根据光谱测试的结果,NiO-Fe0.1Ti0.1的对比度为63.94%,着色时间为4s,褪色时间为1s,着色效率达48.85 cm/C。循环稳定性上优于NiO-Fe0.1薄膜但低于NiO-Ti0.2薄膜,显示了两种元素掺杂的互补性效果。