北京航空航天大學CEJ: 高穩定性/高著色效率的納米復合材料電致變色雙功能器件

【背景介紹】

電致變色是指材料的光學屬性在交替變化外電場的作用下，通過注入或抽取電荷（離子或電子）而發生可逆的變化，這一特點使其在節能與儲能領域一直發揮著重要作用，因此提升電致變色器件的穩定性是至關重要的。二氧化錳是一種典型的表面氧化還原型贗電容材料，可實現從淺黃色到深褐色的顏色變化，并因其優良的多孔結構，高比電容和高表面積而被用來改善電致變色材料的電容和循環穩定性等電化學性能。近日，北京航空航天大學鐘曉嵐副教授團隊在【Chemical Engineering Journal456, 141075 (2023)】和【Solar energy materials and solar cells 253, 112239 (2023)】上先后報道了傳統無機電致變色材料普魯士藍（PB）和有機電致變色材料聚苯胺（PANI）與二氧化錳共摻形成納米復合結構，復合材料均表現出高電容和優秀的電化學循環穩定性。全器件同時還表現出豐富的顏色變化及出色的雙穩態特征。這對未來高性能、低碳、環保的智能儲能器件的應用具有重要的研究價值。

【成果一簡介】

普魯士藍與二氧化錳復合

以普魯士藍（PB）為支撐，在其表面進行二氧化錳（MnO₂）的二次電沉積，制備得到的新型無機電致變色復合材料在外加電壓下實現淺黃、藍、綠、黃四種顏色切換，克服了無機材料變色單一的固有缺陷，同時該材料在經過1500圈循環測試后，CV曲線包絡面積保持最初的99.62%，3000圈測試后，光學調制幅度保持最初的112.12%，說明材料循環穩定性良好，具有更好的實用性。另外該新型材料面電容高達25.34 mF/cm²，相比PB和MnO₂，提高了約2~3倍，并且和目前文獻中已報道的其他材料面電容也是可相媲美的。為全面分析材料性能，將該材料作為電極應用在電致變色儲能雙功能器件中，該器件可以在較短的響應時間內（2.98 s/3.62 s）實現明顯的顏色變化，著色效率高達2019.57 cm²/C。相關研究成果以題為“A dual-function device with high coloring efficiency based on a highly stable electrochromic nanocomposite material”發表在期刊【Chemical Engineering Journal456, 141075 (2023)】，北京航空航天大學物理學院的研究生蘇英杰為第一作者。

【圖文一導讀】

圖1：MnO₂、PB和PB/MnO₂三種材料的SEM和TEM微觀表征

圖2：MnO₂、PB和PB/MnO₂的電化學性能及儲能性能表征以及PB/MnO₂穩定性測試表征

圖3：雙功能器件與其他文獻已報道器件的著色效率對比圖

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【成果二簡介】

聚苯胺與二氧化錳復合

以聚苯胺（PANI）為支撐，通過一步電化學共沉積方法制備的聚苯胺（PANI）/二氧化錳（MnO₂）復合膜，表現出類似珊瑚狀納米孔的結構。這種特殊的結構可以擴大表面積，縮短離子擴散長度，并緩沖充放電過程中的體積膨脹應力。與PANI薄膜相比，復合薄膜可以在-1.5V-1.5V的大電壓窗口下穩定運行，比電容提高了18%，比電容保持率在1000次循環內由54%提高到75%。此外，將其作為電極應用在電致變色儲能雙功能器件中，可以在-2 V-1.5 V的大電壓窗口下穩定運行。在163 mW cm^-2的區域功率密度下，其區域能量密度為8.49 mWh cm^-2。同時，它表現出37.4%的優秀調制幅度，顏色在-2V到1.5V之間變化明顯，為監測器件的工作狀態提供了實驗依據。該研究成果對基于PANI的電化學器件領域具有重要意義，并為高性能電致變色儲能器件提供了設計思路。相關研究成果以題為“High performance PANI/MnO₂?coral-like nanocomposite anode for flexible and robust electrochromic energy storage device”發表在期刊《Solar energy materials and solar cells》，北京航空航天大學物理學院的研究生田夢寒和劉雪晴為共同第一作者。

【圖文二導讀】

圖1：PANI、MnO₂和PANI/MnO₂三種材料的SEM微觀表征

圖2：PANI、和PANI/MnO₂的電化學性能及儲能性能表征

圖3：雙功能器件的電化學性能及儲能性能表征

【總結與展望】

本文展示了具有高穩定性、高著色率、高比電容的電致變色納米復合材料全器件。利用MnO₂與無機材料普魯士藍或與有機材料聚苯胺復合，其復合膜在MnO₂協同作用下實現了器件的多色彩變化，響應時間短，電化學性能優異。該工作在器件儲能實時監測方面具有很大的應用前景。

文獻鏈接：

成果一：Su, Y.; Wang, Y.; Lu, Z.; Tian, M.; Wang, F.; Wang, M.; Diao, X.; Zhong, X. *?A Dual-Function Device with High Coloring Efficiency Based on a Highly Stable Electrochromic Nanocomposite Material. Chemical Engineering Journal?2023, 456, 141075. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141075.

成果二：Tian, M.; Liu, X.; Diao, X.; Zhong, X. *?High Performance PANI/MnO₂?Coral-like Nanocomposite Anode for Flexible and Robust Electrochromic Energy Storage Device. Solar Energy Materials and Solar Cells?2023, 253, 112239. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112239.

本文由作者供稿