東華大學/BU/MIT?《Nat. Commun.》：二維TMO/MXene異質結構實現高性能柔性電致變色

通訊作者：Yuxuan Cosmi Lin*，王宏志*，Xi Ling*

單位：東華大學，波士頓大學，麻省理工學院

電致變色材料可以在外加電場作用下與嵌入離子發生氧化還原反應，從而可逆地改變自身的光學性質，在智能窗、反射式顯示和光學偽裝等領域展現出了巨大的應用前景。近年來，隨著人們將電致變色應用于柔性電子領域的興趣日益增長，在保持高能效、快切換速度和長耐久性的同時，將柔性功能融入電致變色器件中變得越來越重要。然而這是一項極具挑戰性的問題，主要原因在于：(1)電致變色性能和機械性能都與所選材料、微納結構和組裝方法密切相關，需要尋找一種兼具高性能和高柔性的變色層結構和體系；(2)需要協同優化透明導電電極和電致變色功能層的機械性能以實現整體器件的柔性。

近日，來自東華大學的王宏志教授與波士頓大學Xi?Ling教授，麻省理工學院Yuxuan Cosmi Lin和Tomás Palacios教授合作，在期刊Nature Communications上發表題為“Flexible and high-performance electrochromic devices enabled by self-assembled 2D TiO₂/MXene heterostructures”的論文。文章在液-液界面組裝了基于Ti₃C₂T_x和衍生TiO₂納米片的納米級別厚度均勻薄膜，并轉移到柔性基底上制備了TiO₂/Ti₃C₂T_x異質結構電致變色電極。該柔性電致變色電極顯示出了遠高于傳統TiO₂基電致變色材料的變色速度和著色效率。此外，本章進一步展示了大面積柔性器件的組裝技術，它可以與任意曲面和柔性表面集成，有望應用于柔性電子等領域。

圖1.?柔性基底上組裝TiO₂/Ti₃C₂T_x異質結構電極的制備流程。

要點一：Ti₃C₂T_x衍生高質量二維TiO₂納米片?

通過Ti₃C₂T_x氣凝膠原位熱轉換獲得高質量二維TiO₂納米片，在轉換過程中，相鄰的Ti原子之間的C原子被兩個O原子替換。在這一過程中，由于氣固反應較為平緩，Ti原子的擴散受到了限制。同時Ti₃C₂T_x和TiO₂晶體結構中Ti原子骨架的排布較為相似，最終使得Ti原子在轉化過程無需經歷劇烈移動和大量重排，因此薄片的形態在反應過程中得以保留。

圖2.?Ti₃C₂T_x薄片向2D TiO₂薄片的轉換。

要點二：液-液界面連續組裝Ti₃C₂T_x透明導電層和2D TiO₂電致變色層

文章使用了液-液界面自組裝(Lquid/liquid interfacial self-assembly,?LLIA)技術，構建了柔性TiO₂/Ti₃C₂T_x異質結構電極。自組裝的納米片網絡在兩相液面間形成取向結構，從而單層薄膜厚度與單個納米片厚度接近。同時Ti₃C₂T_x/TiO₂異質結構在兩者之間形成了一個金屬-半導體結，當與常用透明電極例如銦錫氧化物相比，Ti₃C₂T_x具有較低的功函。當與TiO₂接觸時，Ti₃C₂T_x和TiO₂之間的肖特基勢壘比ITO和TiO₂之間的勢壘要低得多，甚至可以形成歐姆接觸。因此，Ti₃C₂T_x和TiO₂層之間的電子傳輸有望在異質結構中得到極大改善。

圖3.自組裝Ti₃C₂T_x薄片透明導電薄膜性能表征。

圖4.?TiO₂/Ti₃C₂T_x異質結構電極的電致變色性能。

要點三：高機械穩定性和高變色性能并存

電致變色器件的整體柔性是由最堅硬的一層決定的。文章在驗證TiO₂/Ti₃C₂T_x異質結構中透明電極和電致變色層的機械性能中發現，Ti₃C₂T_x/PET薄膜在0.3?cm的曲率半徑下彎曲和釋放循環1000次后的電阻僅增加6%，而商用的ITO/PET薄膜即使在更大的曲率半徑下(1.5?cm)進行1000次彎曲循環后，電阻卻迅速增加了3個數量級。為了進一步證明LLIA-TiO₂/Ti₃C₂T_x異質結構在實際應用中的潛力，作者制備了尺寸為30?cm×20?cm的大面積柔性電致變色器件。

圖5.?異質結構的機械性能和大面積柔性電子束器件的演示

基于二位納米網絡的自組裝2D-TMO/MXene異質結構電極同時實現了高著色效率、快速顏色切換效果以及良好的柔性。該結果的實現得益于兩個重要原因：(i) 通過Ti₃C₂T_x相轉變獲得了微米尺寸和納米厚度的單晶二維TiO₂薄片，該方法有望成為合成高質量二維MXene衍生物的通用指導；(ii) 液/液界面自組裝技術能夠大規模生產具有良好均勻性的MXene及其衍生物薄膜，該自組裝薄膜可作為多孔透明的柔性電極應用于電子、光電和能量收集等領域。在進一步的演示中，制備了一種大面積柔性電致變色器件，為下一代柔性可穿戴電子器件的集成奠定了基礎。

【文章鏈接】

Flexible and high-performance electrochromic devices enabled by self-assembled 2D TiO₂/MXene heterostructures.?https://doi.org/10.1038/s41467-021-21852-7

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