WO3/PANI核壳结构反蛋白石薄膜的电致变色性能

doi:10.7503/cjcu20210131

摘要/Abstract

摘要：

采用连续离子层吸附法在反蛋白石结构三氧化钨(IO-WO₃)薄膜表面引入导电聚合物聚苯胺(PANI)层, 制备了独特的WO₃/PANI核壳结构反蛋白石薄膜(IO-WO₃/PANI). 探究了IO-WO₃/PANI薄膜的形貌、组成和电化学行为. 结果表明, 当电位扫描范围为-0.6~1.0 V时, IO-WO₃/PANI复合膜在不同电压状态下会呈现出4种不同的颜色, 分别为蓝色(1.0 V)、绿色(0.2 V)、浅绿色(0 V)和蓝紫色(-0.6 V). 与IO-WO₃薄膜相比, IO-WO₃/PANI复合膜的电致变色性能显著提高, 其着色与退色响应时间分别为3.8和6.14 s, 变色效率(CE)值为201.1 cm²/C. 电致变色性能的改善主要归因于WO₃与PANI形成给体-受体体系和核壳反蛋白石等级孔结构, 使得离子快速扩散, 并为电荷转移反应提供更大的表面积. 研究结果表明, IO-WO₃/PANI核壳结构反蛋白石薄膜是一种潜在的多色电致变色材料, 具有广阔的应用前景.

关键词: 氧化钨, 多色电致变色, 反蛋白石结构, 有机/无机杂化材料

Abstract:

A conductive polymer polyaniline（PANI） layer was introduced on the surface of the inverse opal structure tungsten trioxide（IO-WO₃） film by the successive ionic layer adsorption and reaction， then a unique core-shell inverse opal structure WO₃/PANI（IO-WO₃/PANI） film was fabricated. The morphology， composition， and electrochemical behavior of the IO-WO₃/PANI film were studied and compared with the IO-WO₃ film. When the potential scan ranged from -0.6 V to 1.0 V， the IO-WO₃/PANI composite film showed different colors under different voltage states， namely blue（1.0 V）， green（0.2 V）， light green（0 V） and blue-violet （-0.6 V）. Compared with the IO-WO₃ film， the electrochromic performance of the IO-WO₃/PANI film is signi-ficantly improved. The coloring and fading response times are 3.8 and 6.14 s， respectively， and the color change efficiency（CE） value is 201.1 cm²/C. The improvement of electrochromic performance is mainly attri- buted to the formation of the donor-acceptor system and the hierarchically porous structure in the core-shell inverse opal， which enable rapid ion diffusion and provide a larger surface area for charge transfer reactions. The results show that the IO-WO₃/PANI core-shell inverse opal film is a potential multicolor electrochromic material and has broad application prospects in the future.

Key words: WO₃, Multicolor electrochromic, Inverse opal structure, Organic/inorganic hybrid material

中图分类号:

O614

TrendMD:

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图/表 11

Scheme 1 Schematic diagram of the synthetic process of IO?WO3/PANI

Fig.1 SEM images of IO?WO3(A―C) and IO?WO3/PANI(D―F) films with different magnifications

Fig.2 TEM image(A), SAED pattern(B), HRTEM image(C), HAADF?STEM image(D) and EDS mappings(E―I) of IO?WO3/PANI film(C) is the enlarged HRTEM image of the area indicated by the red box in (A).

Fig.3 XRD patterns(A) and FTIR spectra(B) of IO?WO3(a) and IO?WO3/PANI(b) films

Fig.4 XPS survey spectrum(A) and high?resolution XPS spectra of W4f(B) and N1s(C) of IO?WO3/PANI film

Fig.5 CV curves of IO?WO3(a) and IO?WO3/ PANI(b) films

Fig.6 1st―500th CV curves of IO?WO3(A) and IO?WO3/PANI(B) films

Fig.7 Visible transmittance spectra of IO?WO3(A) and IO?WO3/PANI(B) films under different applied potentialsInsets are photographs of the samples.

Fig.8 Electrochromic response of IO?WO3(A, B) and IO?WO3/PANI (C, D) films(-0.6 to 1.0 V) at 633 nm(A, C) Current density?time plots; (B, D) transmittance?time plots.

Table 1 Comparison of electrochromic performance between IO?WO3and IO?WO3/PANI films and the reported samples

Sample	Preparation method	Response time/s		CE/（cm²·C^-1）	Ref.
Sample	Preparation method	Coloring	Bleaching	CE/（cm²·C^-1）	Ref.
One layer IO?WO₃ film	Langmuir?Blodgett method	9.6	9.6	75.73	［34］
WO₃ crystalline nanoparticles	Electro?deposition	9	15	51	［35］
Amorphous porous WO₃ film	Magnetron sputtering	19	6	129.1	［36］
WO₃·H₂O nanosheets	Hydrothermal	10.1	6.1	42.6	［37］
MoO₃?WO₃ film	Sol?gel method	36	32	146.95	［38］
WO₃ nanorods	Sol?gel method	4.5	1.2	─	［39］
Mo?doped WO₃ nanoparticles	Solvothermal method	6.3	3.9	107.2	［40］
IO?WO₃film	Hard template method	8.5	14.7	181.7	This wok
IO?WO₃/PANI film	SILAR	3.8	6.14	201.1	This wok

Fig.9 Variation of the in?situ optical density(OD) vs. charge density for IO?WO3(a) and IO?WO3/PANI(b)

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WO₃/PANI核壳结构反蛋白石薄膜的电致变色性能

Electrochromic Property of the WO₃/PANI Core-Shell Inverse Opal Structure Film

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