一种用于大面积智能窗具有超大光学调制的电致变色磷酸镍薄膜

日期：2024-04-28 04:00

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摘要：一种用于大面积智能窗具有超大光学调制的电致变色磷酸镍薄膜

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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

研究背景

镍基电致变色材料因其电子导电性低，反应位点不足，其光学调制能力仍然不能满足智能窗市场的需求。本文**提出并论证了一种过渡金属磷酸盐电致变色薄膜，通过提升材料的电化学活性，实现了离子在电极中的高效脱嵌。*终，该高透过率(接近100%)的磷酸镍薄膜展现出90.8%的光学调制和75.4 cm²C⁻¹的着色效率，同时还实现了100 cm²智能窗的集成。

An Electrochromic Nickel Phosphate Film for Large-Area Smart Window with Ultra-Large Optical Modulation

Pengyang Lei, Jinhui Wang, Yi Gao, Chengyu Hu, Siyu Zhang, Xingrui Tong, Zhuanpei Wang, Yuanhao Gao*, Guofa Cai*

Nano-Micro Letters (2023)15: 34

https://doi.org/10.1007/s40820-022-01002-4

本文亮点

1. 过渡金属磷酸盐被**应用于电致变色领域。

2. 获得的磷酸镍薄膜实现了一个90.8%的超大光学调制，并利用原位和非原位技术系统的阐明了电致变色机制。

3. 构筑了一个100 cm²的大面积电致变色智能窗，在调节自然光和存储电荷方面均表现出优越的性能。

内容简介

镍基电致变色材料因其电子电导率低，反应位点不足，其光学调制能力仍然不能满足智能窗市场的需求。河南大学蔡国发教授联合许昌学院高远浩教授**提出并论证了一种由金属-氧六面体和磷-氧四面体构成的层状过渡金属磷酸盐电致变色薄膜，其中配位的HPO₄²⁻作为捕获位点，在提升OH⁻的吸附能力的同时，增加了反应活性位点，因此实现离子在电极材料中的高效注入/脱出。*终，该高透过率(接近100%)的磷酸镍薄膜展现出90.8%的光学调制和75.4 cm²C⁻¹的着色效率。另外，集成的100 cm²的智能窗实现了调节太阳辐射和保护隐私的功能，同时也可以作为电源为电子设备供能。

图文导读

I 磷酸镍薄膜的制备与表征

图1(a)为电沉积过程的示意图，展示了磷酸镍薄膜的形成机制。图1(b)为制备的100 cm²的磷酸镍薄膜在三个不同位置的透过率曲线，高度重合的曲线揭示了薄膜空间均匀的特征，该特征正是源于图1(c) SEM图像中均匀分布的纳米颗粒。图1(d) 为TEM图像，可以发现纳米颗粒的尺寸大约在100~120 nm左右，同时该薄膜的厚度被控制在大约122 nm。图1(f)，(g)，(h)和(i)为磷酸镍薄膜的XPS光谱，证实了磷酸镍的成功制备。

图1. (a)三电极体系中通过循环伏安法在-1.2~0.2 V (vs. Ag⁺/Ag)内以20 mV s⁻¹电沉积磷酸镍薄膜的示意图；(b)10×10 cm²的磷酸镍薄膜和三个不同位置的透过光谱；(c)在FTO基底上磷酸镍的SEM图像；(d)TEM和SEAD图像，以及(e)断面SEM；(f)磷酸镍的XPS光谱，(g) Ni 2p，(h) P 2p，和(i) O 1s光谱。

II 磷酸镍薄膜的电致变色和储能性质

通过一系列的电化学表征，对磷酸镍的电致变色以及能量存储性能进行了分析。图2(a)为CV曲线和动态光谱响应，说明了磷酸镍薄膜在电化学和光学上的可逆性。图2(b)是着色态和褪色态下的透过率光谱，所获得的磷酸镍薄膜在500 nm波长处达到了90.8%的光学调制，插图中的数码照片也证实了超大光学调制的实现。通过图2(c)计时电流曲线和原位光谱响应，可以计算得到着色和褪色时间分别为7.1和9.6秒，同时再次证明了光学和电化学可逆性。由图2(d)可以得到磷酸镍薄膜的着色效率为75.4 cm² C⁻¹。通过图2(e)中磷酸镍薄膜光学调制、着色效率和褪色态透过率与相关工作对比，表现出磷酸镍薄膜电致变色性能的优异性。根据图3(a)中不同扫速下的CV曲线，可以得到图3(b)中b₁和b₂的值分别为0.513和0.502，说明磷酸镍薄膜的电化学反应过程主要受扩散控制。图3(c)为薄膜的充放电过程及其伴随的光学性质变化，这种光学性质的改变能够作为电荷存储水平的依据。图3(d)中光学调制和比容量伴随着电流密度的变化趋势，表明了磷酸镍薄膜良好的倍率性能。

图2. 磷酸镍薄膜的电化学和电致变色性能。(a)在1M KOH电解液中10 mV s⁻¹的CV曲线和500 nm波长下的原位响应光谱；(b)在300-800 nm波长下着色态(0.7 V vs. Ag⁺/Ag)和褪色(0 V vs. Ag⁺/Ag)态的光学透过率曲线，插图为着色和褪色态的数码照片；(c)通过施加持续30秒的0和0.7 V(vs. Ag⁺/Ag)的交变电位，记录了电流密度和500 nm波长处对应的原位响应光谱；(d)500 nm波长下的着色效率；(e)光学调制、着色效率和透过率与其他镍基电致变色材料对比的直方图。

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