从非晶大孔膜到三维晶体纳米棒结构：获得高性能V2O5电致变色的新方法外文翻译资料

 2022-01-06 21:30:05

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

从非晶大孔膜到三维晶体纳米棒结构：获得高性能V2O5电致变色的新方法

童仲秋，张翔，吕海明，李娜，曲慧英，赵九鹏，李瑶，刘向阳

摘要

在氧化铟锡衬底上制备三维结晶V2O5纳米棒结构：在350 oC的低温下通过胶体晶体辅助的简单退火处理制备电沉积非晶三维有序大孔膜。纳米棒的典型宽度范围为80-180 nm，长度范围为190-500 nm，厚度为30-50 nm，表现出较低的长径比。电沉积过程中胶体球辅助非均相成核及各向异性结合是影响形成V2O5层状结构形态的两个重要因素。由于表面积大，锂离子扩散距离短和电解质渗透性好，三维晶体V2O5纳米棒结构表现出高度可逆的锂离子嵌入/脱出过程（库伦效率高达96.9％）以及具有五种颜色变化的电致变色性能，良好的透过率调制范围和可接受的响应时间（着色8.8 s，褪色9.3 s），这些使其成为一个很有前途的电致变色器件的电极。

1.绪论

因可变透射窗（智能窗），显示装置和受控反射镜等许多潜在应用，由临时施加的电势控制的颜色或光学参数可逆、持久变化的电致变色（EC）是有吸引力的。[1-3]过渡金属氧化物，如钨，钒，钛，钼和镍氧化物是其中一些众所周知的电致变色材料[4-8]。在这些氧化物中，V2O5是特别令人感兴趣的。作为唯一的一种可以显示阳极和阴极着色的氧化物V2O5可逆的锂离子嵌入/脱出过程不仅导致可逆光学参数变化还导致在电压范围为plusmn;1 V的多色的美学变化。[3,8-11]然而由于其低电导率(10minus;3-10-2 S cmminus;1),低锂离子扩散系数(10minus;13-10minus;12 cm2 sminus;1)，锂离子扩散距离长，以及表面积小，导致V2O5薄膜的常规锂化过程相当慢，从而表现出着色对比度低，响应速度低以及不稳定的循环电致变色等缺点。[ 12–15] V2O5纳米结构(与V2O5本体相比)显著改善了锂离子的扩散动力，增强了电致变色性能表现，这促使人们对合成的具有可调尺寸的V2O5纳米结构产生了更加浓厚的兴趣。[ 9,15–17 ]利用相互连通的孔隙空间制备三维纳米级氧化物以显著改善材料性能的方法已经找到，如通过增强氧化还原反应的表面积，减少所需的扩散长度以及从相互连接的空隙中获得良好的电解质渗透。[ 9,14–17 ]在向前发展时，当纳米级氧化物呈一维纳米结构（例如，纳米线，纳米棒，纳米带和纳米管），这些纳米结构对于锂离子的扩散具有内在优势，例如大的表面积，容易的应变松弛， 以及有效的一维电子传输，可以进一步提高氧化物的电致变色性能。[14-17]广泛用于制造具有一维V2O5纳米线或纳米带结构的三维V2O5膜的一种方法是三步法。 [18-20]一维纳米线或纳米带首先通过水热法或溶胶—凝胶法合成制备，然后通过过滤工艺将一维纳米材料整合到多孔板中，最后，将片材转移到透明的集电器（例如，氧化铟锡（ITO），氟掺杂的氧化锡（FTO）中，用于随后的测试或使用。然而，这种多步骤过程对于制造完整的EC器件而言相当复杂，并且经常导致滤波膜在某种程度上缺乏机械完整性。如果使用催化生长方法[21]或蒸汽传输方法，[22]使 V2O5纳米线阵列或由V2O5纳米带组成的多孔膜直接生长在硅基板上;然而，高合成温度（高于600 ℃）使得透明集电器不适合作为替代基板，高桥等。虽然结合电泳沉积和膜温度板可直接在ITO基板上获得单晶V2O5纳米棒阵列，但即使在3V的高极化电压下，其响应时间相当长，由纳米棒的长度（asymp;10 mu;m）所引起的锂离子嵌入/脱出过程沿着经度方向的进行缓慢。[9,17,22,23]因此，在高性能电致变色的透明集电器上实际实施制备三维纳米级V2O5薄膜仍然是一个挑战。

2.结果与讨论

我们制造三维V2O5纳米棒的方法架构涉及两个关键步骤。首先，在VOSO4溶液中进行V2O5阳极沉积，将其沉积到聚苯乙烯（PS）胶体晶体模板中以制造3DOM膜（图S1a-c，支持信息）。随后，进行退火处理将3DOM结构转换为目标3D纳米结构。图1显示了在不同条件下进行退火处理的3DOM V2O5薄膜的顶视图和横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。这些影片的数码照片如图S2（支持信息）所示。因为纳米结构是从胶体晶体中复制出来的，所以制备的薄膜在整个体积中呈现出蜂窝状结构，孔壁厚度约为18 nm（图1a和图S1d，支持信息）。由于膜在退火过程中收缩，导致大孔结构略有变形。该膜呈黄绿色，可能是由于存在V 4 离子。[19]这种3DOM纳米结构可以承受高达250 ℃的退火温度4小时（图1b）。再使膜在300 ℃下退火4小时后，发生了有趣的形态变化（图1c）。在此温度下，3DOM膜完全崩解，成弯曲的血小板形态。这种形态变化表明在该温度下的退火过程中产生了相变和晶体生长现象。在350 ℃下退火4小时后形成的新型V2O5纳米棒（图1d）。 350 ℃-4 h薄膜的横截面SEM图像显示，不仅在薄膜表面上还在整个梯度方向上发生了形貌变化，因而导致三维 V2O5纳米棒结构具有连续空隙（图1e）。当将膜用作EC膜电极时，这种连续空隙可以为易氧化还原反应提供良好的电解质渗透条件。膜的厚度约860 nm。从获得的低放大率SEM图像表明该膜中所有3DOM结构都被转换为纳米棒形态（图3，支持信息）。高放大倍数SEM图像显示这些纳米棒的表面粗糙（图S4a，支持信息）。纳米棒的典型宽度和长度分别为20-100 nm和200-400 nm。明场透射电子显微镜（TEM）图像显示这些纳米棒相当均匀，从这些纳米棒中选取的区域电子衍射（SAED）图案显示，在非晶环上散射衍射峰重叠（图S4b，c，支持信息）。这表明这些纳米棒与微晶以及无定形物混合。为了进一步研究这些纳米棒的微观结构，采用了更高放大率的明场TEM，如图S4d（支持信息）所示，可以发现一些纳米棒显示出核/壳结构，棒状内芯被不规则形状的壳包围，一个棒状内核的直径为16.2 nm。在下面的研究中，棒状内核被证明是正交的V2O5，而外部的不规则壳是无定形的V2O5。在350 ℃下退火7小时后，具有矩形横截面和近似圆形尖端的V2O5纳米棒显现了长径比较低的特点，相比于典型宽度范围为80-180 nm，长度范围为190-500 nm，厚度范围为30-50 nm（图1f和图S5a，支持信息）。通过特定类型的晶面纳米棒表面明显的光滑，这可以通过一个纳米棒的高分辨率TEM（HRTEM）检测结果来证明。显然，晶格分辨的HRTEM图像和索引的SAED图案揭示了单个正交晶系V2O5微晶的纳米棒形态（图S5c，d，支持信息），可以将观察到的晶格条纹之间的间距分配给正交V2O5相的（401）面。

图1、不同退火条件下得到的3DOM V2O5的扫描电镜图像：a）制备的样品，b）250 ℃，4 h，c）300 ℃，4 h，d，e）350 ℃，4 h，f）350 ℃，7 h。

此外，如图S6（支持信息）所示，350 ℃的延长退火时间对形态没有明显影响,350 ℃ 7小时的薄片仍然展示了三维V2O5纳米棒结构，但连续空隙的尺寸显著增加。另一方面，在V2O5薄膜直接电沉积在ITO涂层玻璃基板上的情况下，薄膜在350 ℃下退火7小时后没有观察到形态变化（图S7a，b，支持信息）。此外，即使在通过旋涂V2O5凝胶制备的3DOM V2O5膜的情况下，在相同温度和时间下退火后也没有观察到形态变化（图S7c，支持信息）。因此，我们可以得出结论，胶体模板在电沉积期间的晶体成核以及随后的退火过程中的晶体生长方面起重要作用。

X射线衍射（XRD）测试用于研究退火过程中3DOM膜的相变（图2a）。事实上，所制备的3DOM薄膜的XRD图案仅包含asymp;21.6°的单个宽衍射峰，并且没有与V2O5-x或V2O5-x·n H2O相关的衍射峰出现表明薄膜是无定形的；观察到的其他峰与ITO层有关。将膜在250 ℃下退火4小时后，XRD图案没有变化,表明在XRD测量期间没有发生晶体生长或因新形成的微晶的量太低而无法检测到,与SEM观察结果一致。在300 ℃下退火处理4小时后导致晶体出现，导致结构崩解。结果是，在21.6 °处注意到XRD峰，其对应于正交晶系V2O5（JCPDS 41-1426）的（001）面。当在350 ℃下进行退火4小时，仍然观察到宽的衍射峰，表明无定形的V2O5保留在膜中。此外，在将膜在350 ℃下退火7小时后，非晶相相关的衍射峰消失，膜变得完全结晶，XRD图案显示出纯正斜方晶的V2O5相，具有良好的结晶度，如图所示。该结果与350 ℃-7 h薄膜的HRTEM，SAED和SEM检测结果一致。

差示扫描量热法（DSC）用于进一步分析退火过程中3DOM膜的结晶情况（图2b），还显示了致密膜的DSC结果用于比较。3DOM薄膜和致密薄膜都表现出类似于V2O5·nH2O干凝胶的热力学特性; [24,25]这表明两个薄膜由水合氧化钒组成。在致密薄膜的情况下，asymp;112 ℃的吸热峰可能归因于V2O5·0.6H2O的产生，而asymp;369 ℃的吸热峰表明成功脱水为V2O5·nH2O然后结晶成V2O5。

图2、a）不同条件退火得到的3DOM V2O5膜的XRD图谱。b） 3DOM膜与致密膜在空气中的DSC曲线升温速率是5 ℃/分钟。

[24,25]对于3DOM薄膜，84 ℃和136 ℃之间的宽吸热带与三个吸热峰重叠，位于87,98和113 ℃。之前的两个峰归因于膜中吸收的有机分子（二甲基甲酰胺（DMF），甲苯和四氢呋喃（THF）），剩余的峰值可能归因于V2O5·0.6H2O的产生。然而，在3DOM材料中，对应于相变过程的吸热峰转移到较低温度，表明胶体模板有利于获得结晶的V2O5材料，并且完全结晶温度降低至低温321 ℃。

同时，X射线光电子能谱（XPS）用于探测退火前后膜中化学键的电子结构。所制备的3DOM薄膜的V2p 3/2核心峰光谱（图S8a，支持信息）由位于517.7和516.4 eV的两个分量组成，如配置数据所示。这两个结合能值可以与两个正式氧化度 5和 4相关联。 [26-28] V4 /V5 比率从V2p3/2（V5 ）和V2p3/2（V4 ）的光谱拟合曲线的面积比确定为0.19。所制备的薄膜中的V 4 离子可归因于溶液中的VO2 离子。当VO 2 阳极氧化过程和在ITO衬底上沉积时（如实验部分中的等式（3）和（4）所示），溶液中未反应的VO2 离子的共沉积导致在所制备的薄膜中存在V4 离子。在准备好的3DOM膜中存在V4 离子证实了其黄绿色（图S2，支持信息）。在350 ℃下退火7小时后，氧气的引

全文共7850字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[2052]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章