基于电势梯度的自驱动电致变色器件的设计与性能研究
作者单位：华中科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：黄亮
授予年度：2023年
摘 要：自驱动电致变色器件是一种新型的节能器件,通过将电致变色器件与储能器件/能量收集装置相集成的方式实现了电致变色器件自发的变色(放电)/恢复(充电)过程,降低了电致变色器件额外的运行能耗,进一步提升了能源利用效率。然而受制于自驱动电致变色器件充电过程中缓慢的反应动力学,现研究尚无法实现快速可逆的自充电行为。为解决此问题,本论文提出了利用电势梯度构建自驱动电致变色器件的新思路,通过制备高电位正极,扩大材料间电势差,增强自发反应驱动力,实现自驱动电致变色器件快速可逆的自充电行为。在此基础之上,通过设计双阳离子有机电解液改善电致变色体系的反应动力学、抑制电极材料在水系电解液中存在的不可逆副反应,有效提升自驱动电致变色器件的循环稳定性。主要研究成果概括如下:(1)提出了电势梯度构建快速自充放电电致变色器件的策略。通过制备高电势的氧化正极材料和低电势的还原负极材料,匹配电致变色电极,构建三电极之间大的阶梯式电势差(电势梯度)作为电子转移的驱动力,仅通过变换开关实现电致变色器件快速可逆的自充放电行为。基于此,以普鲁士蓝作为电致变色材料,刻蚀碳纸作为氧化正极,金属锌作为还原负极,在水系电解液中构建了快速响应的普鲁士蓝基自驱动电致变色器件,并通过构建基于聚乙烯二氧噻吩和氧化钨的自驱动电致变色器件进一步验证了电势梯度策略的普适性。普鲁士蓝基自驱动电致变色器件具备优异的电致变色性能,在700 nm波长下具有68%的光调制范围,快速的响应时间(褪色时间为1.0 s,着色时间为2.2 s)和良好的可逆性。(2)设计了一种Zn/Li双阳离子混合有机电解液,利用Zn/Li双阳离子的协同效应改善了反应的动力学过程,通过有机溶剂替代水溶剂解决了电致变色电极及金属电极在水系电解液中存在副反应的问题,提升了氧化钨/锌电致变色器件的循环稳定性(在循环5000圈后其光调制幅度仅衰减了2%)。基于上述研究,组装了高性能氧化钨基自驱动电致变色器件,该器件在700 nm波长下具有高的光调制范围(83.14%),较快的响应时间,与使用水系电解液的氧化钨基自驱动电致变色器件相比其循环稳定性提升了10倍。最后,通过组装5×5 cm的大面积氧化钨基自驱动电致变色窗验证了该器件具有规模应用潜力。
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