基于预成核法的聚苯胺电致变色材料与器件研究

作     者：陈渊泽 

作者单位：北京信息科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牛春晖

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 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）] 0803[工学-光学工程] 

主      题：聚苯胺 预成核法 薄膜 器件 电致变色 

摘      要：电致变色是指材料在外加电场的作用下光学性能（透过率、反射率、吸收率等）发生可逆变化的现象。电致变色器件已被广泛应用在军事伪装、智能显示、节能玻璃、能源储存等领域。在实际应用时,材料的颜色或透明度的变化在电致变色过程中起到关键作用。多色的电致变色材料合成、多模式的电致变色器件的设计与开发是电致变色领域重要的发展方向。聚苯胺（PANI）电致变色材料具有易于合成、颜色变化丰富和氧化还原转换电压低等优点而备受关注。本论文对导电聚合物PANI的制备及其电化学、光学和电致变色性能展开研究,研究工作分为以下三个部分:（1）根据苯胺聚合包括成核和生长两个阶段的特点,改进了传统PANI薄膜直接生长的制备过程,提出通过预成核法制备PANI薄膜。使用恒电流法、循环伏安法和预成核法制备了PANI薄膜,比较了使用不同制备方法得到的PANI薄膜的形貌、结构特点和电化学性能。探究了预成核电流、生长电流二者间的大小和预成核时间的长短对PANI薄膜性能的影响。实验结果表明,相比于直接生长聚合,预成核法能够简单、高效地聚合得到高质量的PANI薄膜。所制备的PANI薄膜具有明显的多色性能,能够在透明、淡黄色、绿色、蓝色和蓝紫色颜色间可逆转变,在580 nm波长下表现出55%的优异电致变色透射率调制。也具有显著的电化学性能,薄膜在0.05V s的扫描速率下显示出90.7 m C的高活性电荷总量。与直接生长的薄膜相比,预成核PANI薄膜在100次循环后保持约91%的初始活性电荷保有量,这是预成核方法提高均匀性和附着力的结果。（2）将预成核法最优参数下制备的具有优异性能的PANI薄膜组装得到PANI电致变色器件,研究了在不同外加电压强度下器件的电致变色特点,包括器件在不同状态下的颜色变化显示和对应的透射光谱。并根据电致变色过程中双离子嵌入/脱出的机制,在传统电压驱动电致变色的基础上进行了拓展,提出结合双驱动控制离子在电致变色器件中的三维移动以实现多模式电致变色,探究了器件在电流驱动下的电致变色性能和电致变色特性。在电流驱动下,电致变色器件显示出高达45%的透射率对比度的梯度图案变色,具有快速的切换时间（着色褪色时间分别为13.62 s和12.24 s）和优秀的循环性能（150次循环后保持最大透射率对比度的93%）。最后,成功展示了基于单一PANI薄膜的能够在多种颜色状态下额外显示不同梯度图案的多模式电致变色器件。（3）在可见光变色的基础上进一步探索了PANI薄膜和器件的红外电致变色行为,详细研究了不同聚合时间的PANI薄膜在不同电压作用下的红外发射率变化特性,分析了PANI薄膜红外发射率调制能力随PANI层厚度的增加而变化的两种工作模式。同时组装了PANI红外电致变色器件,探究了从可见电致变色器件到红外电致变色器件的改进,并测试了PANI红外电致变色器件的红外发射率调制能力,在8-14μm的波长范围内实现了约0.255的最大红外发射率调制。本论文的研究成果可为将来该类电致变色薄膜及器件的实际应用提供部分理论指导和技术支持。