一種基於銀納米線(AgNW)基底電致變色材料調節近紅外光的方法與流程
2024-03-29 04:44:05
本發明涉及銀納米線基底電致變色薄膜的製備及其對近紅外光調節的應用，屬於功能材料製備及應用領域。
背景技術：
隨著工業的迅速發展,能源短缺和環境汙染已成為人類社會急需解決的關鍵問題。發達國家將大量能源應用於建築物的溫度調節,其中空調能耗佔首位。因此,採取各種措施降低能耗逐漸成為人們的共識,例如以節能和舒適要求來調節太陽光譜的智能窗,在未來建築物中有廣闊的應用前景,受到了人們的廣泛關注。許多物質在受熱、光照、外加電場等外界作用時,其顏色會發生變化,即產生致色現象。致變色材料是指在外界條件作用下,能連續可逆的調節太陽電磁輻射的材料,致變色可分為光致變色、熱致變色、電致變色、氣致變色以及光電致變色等,其中電致變色材料是近年來研究的熱點之一。
電致變色是指材料在電場作用下顏色產生穩定可逆變化的現象。當材料在電化學作用下發生電子與離子的注入與抽出時，其價態和化學組分將發生變化，從而使材料的反射與透射性能改變，在外觀性能上表現為顏色及透明度的可逆變化。其主要特點如下:(1)電致變色材料中電荷的注入與抽出可以通過外界電壓或電流的改變而方便地實現，注入或抽出電荷的多少直接決定了材料的致色程度，調節外界電壓或電流可以控制電致變色材料的致色程度；(2)通過改變電壓的極性可以方便地實現著色或消色；(3)已著色的材料在切斷電流而 不發生氧化還原反應的情況下，可以保持著色狀態，即具有記憶功能。電致變色薄膜的優異性能以及在節能方面的應用前景受到人們的普遍關注,符合未來智能材料的發展趨勢。
傳統的電致變色薄膜大多數以ITO玻璃為導電基底。然而、ITO存在一些問題：1、ITO玻璃韌性差，對電致變色材料的製備加工及應用都有非常嚴格的限制與要求。2、面對有限的硒資源及其越來越多的消費需求，ITO薄膜成本價格變得越來越昂貴。3、由於ITO在波長為1300nm處存在等離子體共振，這使得ITO膜在近紅外波段(780-2500nm)範圍內的光學透過率嚴重降低。眾所周知、地球表面的近紅外光佔到了整個地球表面太陽光能量的50％。因此、開發合適的近紅外智能玻璃來最大限度的利用紅外光為人類服務顯得非常的必要。同時、紅外可調電致變色設備不僅在熱能調控方面有很大的吸引力，在太空飛行器發射探測器，戰爭偽裝材料，光通信等領域都有很大的應用潛力。
由於高的透過率、好的導電性和高的機械柔韌性，銀納米線成為取代ITO而被廣泛研究的新一代導電電極材料。近年來、以銀納米線為導電電極的柔性、可拉伸及可摺疊的電致變色器件已經開始被越來越多的人研究。然而，當前主要集中於柔性器件及可見光區的調控方面的研究，對於近紅外智能調控的研究幾乎沒有。因此本發明，通過結合電致變色及銀納米線兩者的獨特優勢，開發出對紅外光及可見光兩者同時智能調控的電致變色器件。這對電致變色及導電電極領域都具有非常大的拓展性和啟示意義。
技術實現要素：
本發明通過製備得到的銀納米線導電基底電致變色薄膜來進行近紅外光波段的智能調控作用。
為實現這一目的，本發明首先需要製備長度較長、適當尺寸半徑的銀納米線。
本發明的基於銀納米線(Ag NW)基底電致變色材料調節近紅外光的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)將長度至少為50微米、半徑80-12nm的銀納米線通過旋塗及真空熱壓法在透明襯底上製備一層均勻分散的銀納米線透明導電層，進而得到透明導電電極；在銀納米線透明導電層表面沉積一層電致變色薄膜，得到銀納米線基底電致變色薄膜；
(2)通過將所得到的銀納米線基底電致變色薄膜、鉑片電極、Ag/KCl參比電極組成三電極體系，與電解液組成電致變色電化學反應體系，通過控制施加電壓大小，進行著色-褪色變換，進行近紅外波段不同波長處的光學調控。
步驟(1)中優選通過化學法製備得到長度約為70μm，半徑約為100nm的銀納米線。其次製備具有可見光和紅外光區透過率高(大於70％)、導電性好(低於50Ω)和穩定性好的透明導電電極是達到目的第二個必備要求。因此、本發明首先配製了具有高粘結性、無色透明及化學穩定性好的PVA溶液(如濃度0.01g/ml)、製備銀納米線乙醇溶液(如濃度3mg/L)。採用了旋塗鍍膜工藝，持續旋塗一層PVA粘結層在所選透明襯底上(優選以2500轉/分鐘的轉速持續20min持續旋塗一層PVA粘結層在所選透明襯底上)，後在PVA層上面再旋塗銀納米(優選以3500轉/分鐘的轉速持續30s旋塗銀納米)。控制旋塗納米線溶液的層數能夠得到相應導電性和透光性的銀納米線導電電極。接著通過在真空環境中機械熱壓工藝來增加各層之間的結合，減小銀納米線的接觸電阻。從而能夠得到穩定性好、均勻分散及導電性高的銀納米線透明導電電極。
通過物理或者化學法在所製備的銀納米線電極表面沉積一定厚度的電致變色薄膜。根據電致變色薄膜對紅外調控性能大小的需求，可以製備不同厚度的電致變色層。然後在電場的驅動下對電致變色薄膜進行變色操控，通過薄膜變色前後不同狀態對近紅外光進行選擇性透過。通過控制施加電壓大小，能夠得到薄膜著色、褪色不同狀態下對近紅外光透過率的大小不同。因此、通過對銀納米線基電致變色薄膜進行電壓操控能夠來起到對近紅外光智能調控的作用
附圖說明
圖1為本發明所製備的銀納米線掃描電鏡圖。
圖2銀納米線方塊電阻與透過率的關係圖
圖3製備的銀納米線基底的WO3電致變色薄膜掃描電鏡圖
圖4銀納米線基底和ITO基底的WO3電致變色薄膜著色褪色狀態下的透過率。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發明的實質性特點和顯著優點，本發明決非僅局限於所陳述的實施例。
1).製備長徑比較大的銀納米線，通過旋塗及真空熱壓法製備所需導電性的透明導電電極。
2).用電化學沉積法或磁控濺射法，將電致變色材料沉積到銀納米線上，得到電致變色薄膜。
3).通過電化學工作站，將所得到的銀納米線基底電致變色薄膜與鉑片電極，Ag/KCl參比電極組成三電極體系，選擇電解液進行著色-褪色變換。
4).對不同著色、褪色狀態下的近紅外光波段的透過率進行數據記錄，得到近紅外波段不同波長處的光學調控能力大小。
4).對銀納米線導電電極基底的電致變色薄膜的變色循環穩定性進行測試評估。
實施例1
銀納米線(Ag NW)基底WO3電致變色材料調節近紅外光
1)通過水熱法製備長徑比為700的銀納米線(半徑約為100nm)，後配製了具有高粘結性、無色透明及化學穩定性好的0.01g/ml的PVA溶液。同時、製備3mg/L的銀納米線乙醇溶液。採用旋塗鍍膜工藝，以2500轉/分鐘的轉速持續20min旋塗一層PVA粘結層在玻璃襯底上，後在PVA層上面再以3500轉/分鐘的轉速持續30s旋塗銀納米。後在150℃，-0.1MPa真空環境中通過對電極施加100N的壓力來製備透明導電電極。
2).制通過電化學沉積法在銀納米線導電玻璃襯底上製備出WO3電致變色薄膜，然後以LiClO4為電解液、Ag/AgCl參比電極、鉑片電極作對電極組合成電致變色電化學反應體系。
2).用電化學工作站對薄膜進行著色/褪色變化操作。。
3).通過紫外-可見-近紅外分光光度計對薄膜不同著色-褪色狀態下的透過率進行測試分析，得出紅外波段的調控能力大小並與相同製備條件下的ITO基WO3薄膜的紅外調控性能進行對比。
4).記錄多循環狀態下的銀納米線基WO3電致變色材料的紅外光調節的循環穩定性。
銀納米線方塊電阻與透過率的關係圖，見圖2；製備的銀納米線基底的WO3電致變色薄膜掃描電鏡圖見圖3；銀納米線基底和ITO基底的WO3電致變色薄膜著色褪色狀態下的透過率見圖4。
通過對比分析得出以銀納米線基電致變色薄膜對近紅外光可調節的優越性及潛在的應用價值。