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编者按:电致变色研究的复兴与快速增长
刁训刚
2021 Vol. 36 (2): 113114
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电致变色是一个典型的多学科交叉研究领域: 涉及有机与无机材料、物理与化学、电子与光学器件、测试控制及封装技术、太阳能辐射光谱调控与节能、显色与热控等诸多基础和应用研究。近年来, 电致变色研究呈现百花齐放、精彩纷呈的复兴态势, 特别是在中国的科研技术人员快速进入这一研究领域之后, 使得多年稍显沉寂的国际电致变色研究领域浮现出勃勃生机。这一形势大致从国际国内电致变色专业学术会议参会人员的规模数量上可见一斑。两年一度的国际电致变色会议(International Meeting on Electrochomism-IME)已经举办到第13届, 最近连续几届参会人数基本维持在150人左右。而国内两年一度的全国电致变色会议(Chinese Meeting on Electrochromism-CME), 参会人数由第1届的26人、第2届的150人、第3届的178人、快速增加到2019年第4届的352人。中国的学术界和产业界都对电致变色科学产生了浓厚的兴趣, 每次国内电致变色学术会议的参会人员大致维持在学术科研人员1/3、研究生1/3、企业界人员1/3的比例。 2020年3月, 受《无机材料学报》编辑部委托, 由我和王金敏教授一起为《无机材料学报》组织“电致变色材料与器件”专栏。当时正值新冠疫情肆虐武汉及全国乃至欧洲, 我们的科学家和研究生们在同心同德抗击疫情的同时, 都在更加努力地工作以报效祖国。业界同仁非常支持和配合我们的工作, 积极踊跃投稿, 我们的约稿、收稿、审稿等一系列工作也因此进展顺利。由于收到的稿件数量颇多且质量上乘, 原计划出版一期的电致变色专栏, 在征得编辑部同意的情况下分成两期出版。 我们邀请了国内的优秀研究团队为专栏贡献了稿件, 他们都是无机电致变色研究领域的翘楚。希望这些专业性学术作品能为进一步促进我国电致变色研究和产业化技术的蓬勃发展添砖加瓦。在此专栏付梓之际, 我谨代表电致变色领域的同仁为所有文章的作者和做出突出贡献的编辑们表示由衷的感谢和敬意。
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多功能电致变色器件:从多器件到单器件集成
范宏伟, 李克睿, 侯成义, 张青红, 李耀刚, 王宏志
2021 Vol. 36 (2): 115127
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电致变色是在外加电场驱动下通过材料氧化还原反应可逆地改变颜色或光学性质的现象。自发现电致变色现象以来, 由于其具有色彩丰富、节能环保和智能可控等优点, 电致变色技术已应用于智能窗、智能显示、防炫目后视镜等领域。随着近些年光电技术的快速发展, 涌现了一系列具有高度集成特性的产品, 电致变色技术也朝着功能化智能化的方向发展: 结合绿色能源技术, 使自供能电致变色系统进一步降低了建筑能耗; 利用电致变色可视化的优点, 电致变色与其他功能器件的集成使信息读取更加快速便捷; 由于电致变色器件与多种功能器件具有相似的结构、电化学原理和活性成分, 电致变色器件也逐渐从单一的色彩变化, 向变色红外调控、变色储能及变色致动等多功能的方向发展。电致变色多功能集成也极大地推动了电致变色技术的进一步发展。本文详细综述了电致变色原理的多器件/单器件多功能集成系统的前沿进展, 例如自供能电致变色、电致变色传感、电致变色红外调控以及电致变色储能等方向, 并介绍了不同类型多功能电致变色器件集成模式、结构设计和性能优化, 同时也针对电致变色多功能应用所面临的挑战与未来可能的发展方向进行了总结与展望。
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基于氧化钨和氧化镍的电致变色器件研究进展
钟晓岚, 刘雪晴, 刁训刚
2021 Vol. 36 (2): 128139
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电致变色器件(Electrochromic Devices, ECDs)是一种颜色变化受电压调控的智能装置, 具有工作温度范围宽、光学对比度高、可逆双稳态性能好、驱动电压低和能耗低等优点, 在智能动态调光窗、全彩色电子显示屏、防眩光护目镜、自适应双隐身伪装以及可视化储能等领域展现出了巨大的应用潜力。阴极着色材料氧化钨(WO3)和阳极着色材料氧化镍(NiO)是两种被广泛研究的无机电致变色材料, 由WO3和NiO薄膜组成的互补型电致变色器件在大规模智能窗的应用中具有极高的商业价值。改善电致变色器件的综合性能如光学调制范围、响应速度、循环寿命和耐候性等问题一直备受关注。本文围绕互补型电致变色器件的结构组成, 综述了基于WO3和NiO的电致变色全器件的近期研究进展。首先分别阐述了WO3和NiO薄膜的电致变色机理和衰退机制, 讨论了改进制备工艺、元素掺杂改性、设计纳米结构和引入复合材料这四种薄膜性能优化策略的作用和最新研究进展, 其次, 按照器件的组成成分和结构设计介绍了互补型电致变色全器件的分类体系, 总结了各组分材料的选择和器件结构对器件综合性能的影响, 最后对电致变色器件的应用前景和发展趋势进行了展望。
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柔性电致变色器件研究进展
方华靖, 赵泽天, 武文婷, 汪宏
2021 Vol. 36 (2): 140151
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电致变色材料是一类重要的光电功能材料, 可以随周期性调整的电压改变颜色。这种可控的光学吸收率和透过率的调制在智能窗户、电致变色显示和防眩光后视镜等应用场合大显身手。近年来电致变色技术发展迅速, 但当前的研究大多集中在传统刚性电致变色器件, 通常以氧化铟锡(ITO)等导电玻璃为基底。这些刚性变色器件存在厚度大、共型性差、机械强度低、成本高等不可忽视的问题, 阻碍了电致变色技术及其商业化的发展。伴随着开发可穿戴设备和电子皮肤等其他未来技术的热潮, 柔性电致变色器件因其可折叠性、可穿戴性甚至可嵌入性而备受关注, 已跻身成为电致变色领域的研究热点。本综述从制备柔性电致变色器件的材料出发, 系统地概述了无机、有机、无机/有机复合及其他新型柔性电致变色器件最新进展和趋势, 着重介绍了可拉伸电致变色器件的国内外研究进展。同时讨论了现阶段柔性电致变色器件在性能提升和实际应用等方面遇到的挑战, 以及国内外研究者采取的应对措施。最后明确了柔性电致变色器件制备与提升性能的关键, 并对未来的发展趋势做出展望。
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WO3电致变色薄膜离子传输动力过程及其循环稳定性
周开岭, 汪浩, 张倩倩, 刘晶冰, 严辉
2021 Vol. 36 (2): 152160
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电致变色WO3的离子传输动力学过程对其变色性能和循环稳定性具有重要的影响。离子传输过程涉及到WO3电极的结构变形、相转变等复杂过程, 导致通过传统的电化学阻抗谱很难进行有效研究。计时电位法是通过施加电流, 测量电极材料响应电位的一种电化学表征方法。与其它电化学表征方法(阻抗谱法和伏安法)相比, 该技术能够直接探测溶液-电极系统中不同状态下的电压分布, 并经常被用于研究电极系统中的物质传输动力学行为, 例如电极表面附近的质子吸附和传输现象。本工作采用计时电位技术研究和调控WO3薄膜中的离子传输行为, 结果表明: 大的Li+离子插入通量可拓宽WO3/电解质界面处离子的传输通道, 有助于离子传输动力和光响应速度的提升。然而, 反复的离子插入/抽出行为会通过“离子球磨效应”减小WO3/电解质界面处WO3晶粒的尺寸, 使得WO3薄膜的致密性增强, 阻碍离子传输和电解质渗透, 导致插入的Li+及反应产生的LixWO3在WO3结构中不可逆积累, 薄膜的光学调制幅度和电致变色活性明显下降。该工作为电极材料中离子传输动力学分析和离子传输行为控制提供了一种有效的方法。
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基于高电导率的疏水气相SiO2复合凝胶电解质的高性能电致变色器件
赵起, 乔科, 姚勇吉, 陈长, 陈东初, 高彦峰
2021 Vol. 36 (2): 161167
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凝胶电解质具有化学稳定、难燃和易于封装等特点, 其低离子电导率(10-4~10-5S?cm-1)阻碍了电致变色器件(ECDs)凝胶电解质的进一步发展。本研究制备了一种高电导率的疏水SiO2/PMMA/PC/LiClO4凝胶聚合物电解质(H-SiO2 GPEs), 并用电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)分析了ECDs的电化学行为。实验结果表明, 仅引入0.5wt%的疏水性气相SiO2, 即可使H-SiO2 GPEs的离子电导率达到5.14 mS?cm-1(25 ℃时)。离子电导率的增加归因于SiO2添加物和有机电解质之间良好的相容性和疏水-疏水吸引力促进了高氯酸锂的离解。同时, 不同气相二氧化硅含量的GPEs的粘度与剪切速率的关系表现出剪切稀化行为, 这表明研究体系形成了三维网状结构。该结构为离子提供了传输通道, 进而提高了基于H-SiO2 GPEs电致变色器件的响应速度(tbleaching= 4 vs 8 s和tcoloring = 14 vs 16 s)。同样, 通过探究添加疏水性气相SiO2对液态电解液的影响表明:复合疏水性气相SiO2使得LiClO4/PC液态电解液的离子电导率由原来的6.94 mS?cm-1增大到7.58 mS?cm-1。疏水性气相SiO2作为填料对电解质的离子电导率具有一定的积极作用, H-SiO2 GPEs的研究为解决ECDs高离子电导率和易泄漏之间的矛盾提供了新思路。
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SnO2退火温度对钙钛矿太阳能电池性能的影响
王艳香, 高培养, 范学运, 李家科, 郭平春, 黄丽群, 孙健
2021 Vol. 36 (2): 168174
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电子传输层是钙钛矿太阳能电池的关键部分, 起到阻挡空穴、传输电子和减少电子空穴复合的作用。本研究采用低温溶液法制备SnO2薄膜作为钙钛矿电池的电子传输层, 研究SnO2的退火温度对电子传输层微观形貌、物理性能以及钙钛矿太阳能电池性能的影响。结果表明: 当退火温度为60、90、120和240 ℃时, SnO2薄膜表面存在较多的孔隙; 而退火温度为150、180和210 ℃时, 薄膜表面孔隙较少。在实验温度下, 制备的SnO2薄膜为四方相, FTO玻璃上涂覆SnO2薄膜后其透过率要优于空白FTO玻璃的透过率。当SnO2退火温度为180 ℃时, 薄膜的电子迁移率最高, 钙钛矿电池具有最佳的传输电阻和复合电阻, 所得电池的性能最优, 其光电转换效率为17.28%, 开路电压为1.09 V, 短路电流为20.91 mA/cm2, 填充因子为75.91%。
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LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/石墨锂离子电池高荷电存储老化机理研究
刘勇, 白海军, 赵奇志, 杨金戈, 李宇杰, 郑春满, 谢凯
2021 Vol. 36 (2): 175180
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高荷电存储寿命对锂离子电池的使用性能具有重要影响, 但是相关研究却较为缺乏。本研究通过高温加速实验, 研究了LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)/石墨锂离子电池在55 ℃下的存储寿命, 分析了正负极材料在电池寿命终点时的电化学性能和界面变化。研究结果表明, 在55 ℃、高荷电状态下NCA/石墨锂离子电池的存储寿命约为90 d。在寿命终点时, 正负极活性材料的容量有一定下降, 但不是电池容量衰减的主要原因。界面分析表明, 存储后负极表面固体电解质界面(SEI)膜增长明显, 而正极表面固体电解质界面(PEI)膜无明显变化。SEI膜的增长主要是由于电解液溶剂和锂反应, 造成石墨内锂损失, 使电池内可循环锂减少, 这是NCA/石墨电池在存储过程中容量损失的主要原因。
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负载二甲酸钾缓释抗菌微球的构建
郭小炜, 李玉妍, 陈南春, 王秀丽, 解庆林
2021 Vol. 36 (2): 181187
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为避免二甲酸钾(KDF)在酸性环境下分解过快, 调节仔猪肠胃道酸碱性和菌落平衡, 实现KDF靶向释放抗菌, 本研究以可生物降解的壳聚糖(CS)、羧甲基纤维素(CMC)和无机刚性材料P型沸石分子筛(Zeolite P)为载体, 负载抗菌药物二甲酸钾制备控释水凝胶微球。发现CS中-NH2与CMC中-COOH离子作用, 可形成结构稳定的聚电解质复合物。溶胀率的差异性表明CS/CMC/Zeolite P水凝胶微球对pH高度敏感。加入Zeolite P使水凝胶微球在pH1.2保持原有形貌且不被降解破裂。CS/CMC/Zeolite P/KDF抗菌微球的包封率为47.75%, 载药率为23.88%, 可有效缓释KDF, 在pH7.4磷酸盐缓冲溶液中的缓释性比pH1.2更优。CS/CMC/Zeolite P/KDF抗菌微球浓度为96 mg/mL时对大肠杆菌最大抑菌率为83%, 有效提高了KDF利用率。
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Gd3(Al,Ga)5O12:Ce闪烁晶体扭曲生长、组分偏析与性能研究
孟猛, 祁强, 丁栋舟, 赫崇君, 赵书文, 万博, 陈露, 施俊杰, 任国浩
2021 Vol. 36 (2): 188196
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新型闪烁晶体Gd3(Al,Ga)5O12:Ce(简写为GAGG:Ce)在制备过程中易出现多晶扭曲生长、组分偏析等问题, 严重影响晶体的性能。为了得到大尺寸高质量的GAGG:Ce晶体, 采用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和X射线激发发射谱(XEL)等手段, 结合熔体特性分析了GAGG:Ce晶体多晶扭曲生长、组分偏析的形成机制。通过调整温场、抑制组分挥发等方法生长出φ50 mm×120 mm的GAGG:Ce晶体, 并重点研究了GAGG:Ce晶体的光谱特性与闪烁性能。结果表明: GAGG:Ce晶体的光输出达58000 ph./MeV, 能量分辨率为6.4%@662 keV, 在550~800 nm波长区间的透过率约为82%。晶体闪烁衰减快分量为126 ns (83%), 慢分量为469 ns (17%)。晶体的发射峰中心波长在550 nm左右, 与硅光电倍增管的接收波长匹配, 且发光峰值处的透过率EWLT(Emission Weighted Longitudinal Transmittance)值高达79.8%。GAGG:Ce晶体兼具高光输出与高能量分辨率, 在中子和伽马射线探测领域具有广阔的应用前景。
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Fe/Bi0.5Sb1.5Te3热电元件高温稳定性研究
王旭, 顾明, 廖锦城, 宋庆峰, 史迅, 柏胜强, 陈立东
2021 Vol. 36 (2): 197202
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热电元件的界面高温稳定性是决定热电器件服役性能和应用前景的重要因素, 而阻挡层和热电材料之间的界面扩散和界面电阻则是评价热电元件高温稳定性的主要标准。为了进一步提升P型碲化铋热电器件的界面稳定性, 本研究采用高通量筛选的方法选定适用于P型碲化铋的Fe阻挡层材料。通过一步烧结的方法制备了Fe/P-BT的热电元件, 并系统研究了高温加速老化实验下的Fe/P-BT的界面微观结构的演变和界面电阻率的稳定性。在老化过程中, Fe/P-BT的界面连接良好且Fe-Sb-Te的三元扩散层的成分基本不变。扩散层厚度与时间的平方根成线性关系, 生长激活能为199.6 kJ/mol。Fe/P-BT的界面电阻率较小且随着老化时间延长缓慢增大, 在350 ℃老化16 d后仍然低于10 μΩ·cm2。基于界面扩散动力学的寿命预测表明Fe可以用作Bi0.5Sb1.5Te3热电元件的阻挡层材料。
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锂硫电池正极用钴掺杂空心多孔碳载体材料
金高尧, 何海传, 吴杰, 张梦源, 李亚娟, 刘又年
2021 Vol. 36 (2): 203209
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锂硫电池被认为是新一代低成本、高能量密度的储能系统。但由于硫正极导电性差、穿梭效应严重以及氧化还原反应速率慢, 导致电池容量衰减严重, 倍率性能较差。本研究以柠檬酸钠为碳源制备了具有三维中空结构的多孔碳材料, 并在其骨架上负载钴纳米颗粒后作为硫正极的载体。引入的钴纳米颗粒可有效吸附多硫化物, 提升其转化反应的动力学, 进而明显改善电池的循环和倍率性能。所得的钴掺杂复合硫正极在0.5C (1C=1672 mAh·g-1)的倍率下首圈放电比容量高达1280 mAh·g-1, 在1C的倍率下稳定循环200圈后可保持770 mAh·g-1, 并且具有优异的倍率性能, 即使在10C的大电流密度下仍可稳定循环。
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固体激光用Nd:Lu2O3透明陶瓷的制备和光学性能研究
刘子玉, TOCI Guido, PIRRI Angela, PATRIZI Barbara, 冯亚刚, 陈肖朴, 胡殿君, 田丰, 吴乐翔, VANNINIMatteo, 李江
2021 Vol. 36 (2): 210216
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Nd:Lu2O3材料由于具有高热导率、低声子能量和优异的光学特性而成为非常有前景的高功率固体激光器用的增益介质。但Lu2O3单晶的熔点超过2400 ℃, 难以生长, 而Lu2O3陶瓷既能在低温下制备, 又具有与晶体相当的光学性质和激光性能从而备受关注。本研究制备了高透明的Nd:Lu2O3陶瓷并对其光学性质和激光性能进行探究。以共沉淀法制备的纳米粉体为原料, 采用真空烧结结合热等静压(HIP)两步烧结法制备了1.0at%Nd:Lu2O3透明陶瓷。对制备的粉体、素坯和陶瓷的微结构进行了表征: HIP后处理的陶瓷平均晶粒尺寸是724.2 nm。厚度为1.0 mm的1.0at%Nd:Lu2O3透明陶瓷在1100 nm处的直线透过率是82.4%, 样品在806 nm处的吸收截面为1.50′10-20 cm2, 而根据荧光光谱计算得到的发射截面为6.5′10-20 cm2。分别在878.8 和895.6 nm波长激发下, 1.0at%Nd:Lu2O3透明陶瓷4F3/2·4I11/2跃迁的平均荧光寿命均为169 ms。当输出耦合镜的透过率TOC=2.0%时, 退火后的1.0at% Nd:Lu2O3透明陶瓷获得了最大输出功率为0.47 W的准连续(QCW)激光输出, 斜率效率为8.7%。本研究成功制备了显微结构均匀、高透明度的1.0at%Nd:Lu2O3陶瓷, 并展示了其在固体激光增益介质领域的广阔应用潜力。
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醇水共沉淀法制备Yb:YAG透明陶瓷及其性能研究
黄新友, 刘玉敏, 刘洋, 李晓英, 冯亚刚, 陈肖朴, 陈鹏辉, 刘欣, 谢腾飞, 李江
2021 Vol. 36 (2): 217224
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Yb:YAG透明陶瓷由于具有宽的吸收带和发射带、高增益、低的热负载、长的荧光寿命、高的量子效率等优点而成为有应用前景的高功率固体激光器用增益介质。本研究优化了粉体的性能并制备了高透明的Yb:YAG陶瓷。以碳酸氢铵为沉淀剂, 分别以纯水或乙醇/水混合物为溶剂, 采用共沉淀法合成了5at%Yb:YAG纳米粉体。在1250 ℃下煅烧4 h得到的所有粉体均为纯YAG相。与纯水溶剂制备的粉体相比, 醇水溶剂制备的粉体具有更小的平均晶粒尺寸和更低的团聚程度。以醇水溶剂制备的粉体为原料, 采用真空烧结法在不添加烧结助剂的情况下成功制备了5at%Yb:YAG透明陶瓷, 并对1500~1825 ℃烧结20 h和1800 ℃烧结10~50 h所得陶瓷的微观结构和直线透过率进行了探究。除在1825 ℃下烧结20 h所得的陶瓷外, 其余的5at%Yb:YAG陶瓷都具有均匀的微观结构。在1800 ℃下烧结50 h制备的5at%Yb:YAG陶瓷具有最高的光学质量, 在1100和400 nm处的直线透过率分别为78.6%和76.7%(样品厚度为2.2 mm)。该Yb:YAG透明陶瓷在937 nm处的吸收截面为5.03×10-21 cm2, 在1031 nm处的发射截面为13.48×10-21cm2。
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