【摘 要】
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电致变色(Electrochromic)玻璃是一类通过响应外部电压变化,实现自身光学性能稳定、可逆调节的智能型光学功能器件。由于具有动态可调节的光学性能,电致变色玻璃在低能耗建筑、节能显示、智能隐身等众多领域具有广阔应用前景。电致变色器件的变色过程由电化学反应驱动,其反应机理和活性材料组分与电池、超级电容器等储能器件的电荷存储过程类似。因此,将电致变色技术与储能技术相结合,可以开发出兼具储能和变色
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电致变色(Electrochromic)玻璃是一类通过响应外部电压变化,实现自身光学性能稳定、可逆调节的智能型光学功能器件。由于具有动态可调节的光学性能,电致变色玻璃在低能耗建筑、节能显示、智能隐身等众多领域具有广阔应用前景。电致变色器件的变色过程由电化学反应驱动,其反应机理和活性材料组分与电池、超级电容器等储能器件的电荷存储过程类似。因此,将电致变色技术与储能技术相结合,可以开发出兼具储能和变色功能的新型多功能电致变色器件。本论文以普鲁士蓝(Prussian blue,PB)作为电致变色材料(也是正极材料),探索了其与锌、锡金属负极构建电致变色与能量存储双功能器件的变色机理、变色特性、电化学反应行为与性能调控机理,进而优化了器件的光学及电化学性能。论文具体研究内容如下:(1)针对普鲁士蓝薄膜在传统电解液中恒压快速变色模式下变色性能衰减较快这一问题,提出了通过调节电解液p H优化普鲁士蓝薄膜循环稳定性的实验构想。首先通过水热反应在FTO(掺杂F的SnO2)透明导电玻璃表面沉积了均匀的普鲁士蓝(PB)电致变色薄膜,然后在三电极体系下对该薄膜进行循环伏安扫描(CV)测试。实验表明,使用HCl酸化电解液至pH=3时,普鲁士蓝(PB)薄膜的变色循环稳定性得到明显提高。随后将通过水热法沉积制备的普鲁士蓝薄膜作为电致变色电极,金属锌(Zn)为对电极,在含有Zn2+与K+的HCl酸化的双离子电解液(pH=3)中构建了普鲁士蓝/锌电致变色能量存储双功能器件。经过性能测试后发现,使用酸化电解液的变色储能器件可以获得较大的面积容量(46 m Ah/cm2),较短的着色时间(4.1s)以及较高的着色效率(75.1cm2/C)。但在酸性电解液中,金属Zn负极出现了严重的腐蚀反应,导致器件性能快速衰减。(2)为解决锌负极在酸性电解液中的腐蚀问题,本论文采用具有较高电极电位(-0.13 V vs.SHE)且同样具有很大析氢过电位的金属锡(Sn)作为负极,构建了普鲁士蓝/锡变色储能双功能器件,并系统考察了器件的电化学与光学性能。研究显示,金属锡可以有效抑制酸化电解液对金属电极的析氢腐蚀,从而减缓由之引起的性能衰减问题。通过上述设计,既可以提高普鲁士蓝循环寿命,又能较好地解决金属对电极的析氢腐蚀问题。以水热法普鲁士蓝为正极,金属锡为对电极,添加羧甲基纤维素(CMC)的HCl/KCl溶液为凝胶态电解质构建了变色储能双功能器件,在电解质pH=0.7时可以获得较大的面积容量(58 m Ah/m2),优良的循环寿命(循环4000圈后容量仍保持71%)以及较高的光调制幅度(633 nm处透光率变化49.3%)。
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