TiO2-PTPAT纳米核/壳结构复合膜的制备及电致变色性能

doi:10.7503/cjcu20200455

高等学校化学学报 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (12): 2796.doi: 10.7503/cjcu20200455

TiO₂-PTPAT纳米核/壳结构复合膜的制备及电致变色性能

欧阳密¹, 陈璐¹, 胡旭明¹, 李裕文¹, 戴大程¹, 屠袁波¹, 白茹²(), 吕晓静¹(), 张诚¹()

^1.浙江工业大学化学工程学院, 杭州 310014
^2.杭州电子科技大学磁电子中心, 杭州 310018

收稿日期:2020-07-14 出版日期:2020-12-10 发布日期:2020-12-09
通讯作者: 张诚 E-mail:330173743@qq.com;doctorlv@zjut.edu.cn;czhang@zjut.edu.cn
作者简介:白茹, 女, 博士, 副研究员, 主要从事光电磁材料及器件的设计制备及性能研究. E-mail: 330173743@qq.com|吕晓静, 女, 博士, 副研究员, 主要从事复合电致变色材料的制备及性能研究. E-mail: doctorlv@zjut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(批准号(51573165);51673174, 51703199)和浙江省自然科学基金(批准号(LY15E030006);LZ17E030001)资助

Preparation and Electrochromic Properties of TiO₂-PTPAT Nano Core/Shell Composite Films

OUYANG Mi¹, CHEN Lu¹, HU Xuming¹, LI Yuwen¹, DAI Dacheng¹, TU Yuanbo¹, BAI Ru²(), LÜ Xiaojing¹(), ZHANG Cheng¹()

^1.College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China
^2.Center for Integrated Spintronic Devices，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China

Received:2020-07-14 Online:2020-12-10 Published:2020-12-09
Contact: ZHANG Cheng E-mail:330173743@qq.com;doctorlv@zjut.edu.cn;czhang@zjut.edu.cn
Supported by:
? Supported by the National Natural Science Foundation of China(51573165);the Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China(LY15E030006)

1. ESM to 2796-2803.pdf(151KB)

摘要/Abstract

摘要：

通过水热法在氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃基底上制备了垂直生长的二氧化钛(TiO₂)纳米棒阵列, 以TiO₂纳米棒阵列为模板采用电化学聚合法, 原位制备了TiO₂-聚三[2-(4-噻吩)苯]胺(PTPAT)纳米核/壳结构的复合薄膜, 相比于纯PTPAT薄膜, TiO₂-PTPAT复合薄膜显示出更好的电致变色(EC)性能. PTPAT薄膜在600 nm波长下的对比度为28%, 在1100 nm波长下的对比度为60%, 其褪色时间为3.86 s, 着色时间为5.52 s; TiO₂- PTPAT复合薄膜在600 nm波长下的对比度为43%, 在1100 nm波长下的对比度为79%, 其褪色时间为3.35 s, 着色时间为4.43 s, 表明核/壳复合结构薄膜的光学对比度和响应时间性能更加优异. 将PTPAT薄膜和TiO₂-PTPAT复合薄膜作为电致变色层组装成固态EC器件, 基于复合薄膜的器件具有更好的循环稳定性和更高的耐受电压. 复合薄膜在保持PTPAT薄膜原有的EC性能的基础上, 由于有序生长的纳米阵列结构的引入增加了薄膜的比表面积, 为电致变色过程中离子的掺杂和脱掺杂提供了更多有序通道, 从而加快了离子扩散速度. TiO₂阵列的引入也改善了聚合物薄膜与透明导电电极之间的界面结合情况, 从而提升了器件的稳定性.

关键词: 二氧化钛纳米棒阵列, 聚三[2-(4-噻吩)苯]胺, 纳米复合, 电致变色, 电化学聚合

Abstract:

The vertically grown TiO₂ nanorod array was prepared on fluorine-doped tin oxide（FTO） con- ductive glass substrates via hydrothermal method， and then TiO₂-poly（tris［4-（thiophen-2-yl）phenyl］amine）（PTPAT） core/shell structure composite films were prepared by in?situ electrochemical polymerization using TiO₂ nanorod arrays as templates. Compared with the pure PTPAT film， the composite film showed well electrochromic（EC） properties. The optical contrast of PTPAT film is 28% at 600 nm， 60% at 1100 nm， and the discoloring time is 3.86 s and the coloring time is 5.52 s at 1100 nm； the optical contrast of TiO₂-PTPAT compo- site film is 43% at 600 nm， 79% at 1100 nm， and the discoloring time is 3.35 s and the coloring time is 4.43 s at 1100 nm. The results show that the core/shell composite structure film has better optical contrast and swit- ching time performance. The PTPAT film and the TiO₂-PTPAT composite film are used as the EC layer to assemble EC solid devices. The composite film-based devices show better cycle stability and higher withstand voltage. This is because the composite film maintains the original electrochromic properties of the PTPAT film. Due to the introduction of orderly grown nano-array structure， the specific surface area of the film is increased， and more ordered channels are provided for the doping and dedoping of ions in the electrochromic process， thereby accelerating the ion diffusion speed. At the same time， the introduction of TiO₂ array improves the interface bonding between the polymer film and the transparent conductive electrode， thus improves the stability of the device.

Key words: TiO₂ nanorod arrays, Poly（tris［4-（thiophen-2-yl）phenyl］amine）, Nanocomposite, Electrochromic, Electrochemical polymerization

中图分类号:

O646

TrendMD:

欧阳密, 陈璐, 胡旭明, 李裕文, 戴大程, 屠袁波, 白茹, 吕晓静, 张诚. TiO₂-PTPAT纳米核/壳结构复合膜的制备及电致变色性能. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2796.

OUYANG Mi, CHEN Lu, HU Xuming, LI Yuwen, DAI Dacheng, TU Yuanbo, BAI Ru, LÜ Xiaojing, ZHANG Cheng. Preparation and Electrochromic Properties of TiO₂-PTPAT Nano Core/Shell Composite Films. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2796.

图/表 9

Scheme 1 Schematic illustration of the preparation process of TiO2?PTPAT composite film

Fig.1 SEM images of TiO2 nanorods(A, B), PTPAT film(C, D) and TiO2?PTPAT composite film(E, F), TEM images at different magnification of TiO2?PTPAT composite film(G, H)(A), (C), (E) Top view; (B), (D), (F) cross-sectional.

Fig.2 CV curves of TiO2 nanorods, PTPAT film and TiO2?PTPAT composite film in 0.1 mol/L TBAPF6(VACN/VDCM=1∶1, scanning rate: 100 mV/s)The inset is an enlarged view of the CV curve of TiO2 nanorods.

Fig.3 UV?Vis absorption spectrum and color change(insets) of PTPAT film(A) and TiO2?PTPAT composite film(B) from 0 V to 1.4 V in 0.1 mol/L TBAPF6(VACN/VDCM=1∶1) solution

Fig.4 Optical contrast at 600 and 1100 nm of PTPAT film(A, B) and TiO2?PTPAT composite film(D, E) in 0.1 mol/L TBAPF6 solution(VACN/VDCM=1∶1), switching time of PTPAT film(C) and TiO2?PTPAT composite film(F) at 1100 nmOptical contrast: (A) 28%; (B) 60%; (D) 43%; (E) 79%.

Scheme 2 Schematic illustration of the process of ion diffusion in pure PTPAT(A) and TiO2?PTPAT(B) composite film

Fig.5 UV?Vis absorption spectrum of ECD0(A) and ECD1(B) and the color change of ECD0(C) and ECD1(D) at different potential

Fig.6 Cyclic stability test of the ECD0(A) and ECD1(B) under 1000 cyclesContrast ratio: (A) 39.9%, 34.4%, 32.9%; (B) 53.3%, 50.9%, 50.3%.

Fig.7 Optical contrast of ECD0(A) and ECD1(B) at different potentials

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TiO₂-PTPAT纳米核/壳结构复合膜的制备及电致变色性能

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