東華大學王宏志團隊ACS Nano:高性能Na+離子電致變色助力廉價顯示電子及物聯網器件

【引言】

由于鈉元素資源相對豐富且成本低廉，基于鈉離子(Na⁺)的電化學體系在能源存儲領域受到了廣泛關注。也正是基于鈉離子的多方面優勢，研究人員也希望將鈉離子應用到同樣基于氧化還原反應的電致變色器件中去。顧名思義，電致變色是指材料光學屬性在外加電場的作用下發生可逆的變化的現象，宏觀表現為顏色和透明度的可逆變化，已經廣泛應用于智能窗、汽車后視鏡、智能顯示等領域。但是由于Na⁺離子半徑明顯大于通用的Li⁺離子，導致其在傳統電致變色電極如氧化鎢中傳輸變得緩慢，從而極大地降低了電致變色材料的性能和循環壽命，限制了鈉離子電化學體系在電致變色領域的應用。

【成果簡介】

近日，東華大學王宏志研究團隊與美國佐治亞理工王剛博士(現美國西北大學博士后)合作，將含有變色基團的有機配體組裝成MOF電極，利用該類MOF結構中具有較大尺寸的一維離子通道，實現了鈉離子的快速脫嵌，從而使得電致變色電極在Na⁺有機電解液中達到了極高的變色速度和變色效率。相關成果以題為“Ion-Transport Design for High-Performance Na⁺-Based Electrochromics”發表在ACS Nano上。文章的共同第一作者為東華大學李然博士生和李克睿博士(現新加坡國立大學博士后)。

【圖文導讀】

圖一. 兩種MOF的結構分析。

(a, b, c, d)兩種MOF的SEM圖像；

(e)兩種MOF的XRD圖；

(f, g)兩種MOF的晶體結構示意圖；

(h)兩種MOF的N₂等溫吸脫附曲線；

圖二. MOF電極在不同電解液中電化學性能和離子傳輸示意圖。

(a)MOF電極在不同電解液中的電化學阻抗圖；

(b)MOF電極在Na⁺電解液中的循環伏安曲線；

(c)不同離子在MOF電極中的離子傳輸效率；

(d) MOF電極在不同電解液中離子傳輸機制圖；

圖3. MOF電極在不同電解液中的電致變色性能。

(a)MOF電極在Na⁺電解液中不同電壓下的紫外吸收譜圖；

(b)MOF電極在不同電壓下的顏色示意圖；

(c)MOF電極在不同離子電解液中的變色速率；

(d)兩種MOF電極在Na⁺電解液中的變色速率；

(e)兩種MOF電極在不同離子電解液中的變色效率；

(f)兩種MOF電極在Na⁺電解液中的循環穩定性；

圖4. 基與MOF電極的多彩電致變色器件和應用于共享單車的智能二維碼。

?(a) MOF電極激光刻蝕制備流程圖；

(b)基于刻蝕MOF電極的多色電致變色器件；

(c)基于MOF電極中智能二維碼器件；

(d)可隱藏智能二維碼器件應用于共享單車。

【小結】

研究團隊通過將兩種含有不同尺寸一維孔道(10 ? vs 33 ?)的MOF電極分別在Al³⁺、Li⁺、Na⁺和TBA⁺基電解液中進行測試，發現對于兩種電極，既不是離子半徑最小的Al³⁺離子也不是半徑最大的TBA⁺傳輸最為迅速。盡管Na⁺離子半徑要大于Li⁺離子和Al³⁺離子，卻有著最高的離子傳輸效率。研究團隊認為同時有兩個重要的因素影響著離子傳輸：離子與傳輸路徑間的空間位阻和離子與MOF框架上負電基團的靜電相互作用。正是由于MOFs獨特的結構導致其對不同離子脫嵌具有選擇性。基于該類具有離子傳輸選擇性的MOF材料，研究團隊制備了快速變色，且具有高光調制范圍與變色效率和良好的穩定性的鈉離子電致變色電極。在此基礎上，通過無模板的激光雕刻法刻蝕變色層和電極，成功制備了多彩電致變色顯示器件與應用于共享單車的可隱藏智能二維碼器件，證明了其在廉價電致變色和物聯網電子器件鄰域的發展潛力。

文獻連接：Ion-Transport Design for High-Performance Na⁺-Based Electrochromics (ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b00974)

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