一種用于大面積智能窗具有超大光學調制的電致變色磷酸鎳薄膜

日期：2025-09-11 09:46

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摘要：一種用于大面積智能窗具有超大光學調制的電致變色磷酸鎳薄膜

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

研究背景

鎳基電致變色材料因其電子導電性低，反應位點不足，其光學調制能力仍然不能滿足智能窗市場的需求。本文**提出并論證了一種過渡金屬磷酸鹽電致變色薄膜，通過提升材料的電化學活性，實現了離子在電極中的高效脫嵌。*終，該高透過率(接近100%)的磷酸鎳薄膜展現出90.8%的光學調制和75.4 cm2C?1的著色效率，同時還實現了100 cm2智能窗的集成。

An Electrochromic Nickel Phosphate Film for Large-Area Smart Window with Ultra-Large Optical Modulation

Pengyang Lei, Jinhui Wang, Yi Gao, Chengyu Hu, Siyu Zhang, Xingrui Tong, Zhuanpei Wang, Yuanhao Gao*, Guofa Cai*

Nano-Micro Letters (2023)15: 34

https://doi.org/10.1007/s40820-022-01002-4

本文亮點

1. 過渡金屬磷酸鹽被**應用于電致變色領域。

2. 獲得的磷酸鎳薄膜實現了一個90.8%的超大光學調制，并利用原位和非原位技術系統的闡明了電致變色機制。

3. 構筑了一個100 cm2的大面積電致變色智能窗，在調節自然光和存儲電荷方面均表現出優越的性能。

內容簡介

鎳基電致變色材料因其電子電導率低，反應位點不足，其光學調制能力仍然不能滿足智能窗市場的需求。河南大學蔡國發教授聯合許昌學院高遠浩教授**提出并論證了一種由金屬-氧六面體和磷-氧四面體構成的層狀過渡金屬磷酸鹽電致變色薄膜，其中配位的HPO?2?作為捕獲位點，在提升OH?的吸附能力的同時，增加了反應活性位點，因此實現離子在電極材料中的高效注入/脫出。*終，該高透過率(接近100%)的磷酸鎳薄膜展現出90.8%的光學調制和75.4 cm2C?1的著色效率。另外，集成的100 cm2的智能窗實現了調節太陽輻射和保護隱私的功能，同時也可以作為電源為電子設備供能。

圖文導讀

I 磷酸鎳薄膜的制備與表征

圖1(a)為電沉積過程的示意圖，展示了磷酸鎳薄膜的形成機制。圖1(b)為制備的100 cm2的磷酸鎳薄膜在三個不同位置的透過率曲線，高度重合的曲線揭示了薄膜空間均勻的特征，該特征正是源于圖1(c) SEM圖像中均勻分布的納米顆粒。圖1(d) 為TEM圖像，可以發現納米顆粒的尺寸大約在100~120 nm左右，同時該薄膜的厚度被控制在大約122 nm。圖1(f)，(g)，(h)和(i)為磷酸鎳薄膜的XPS光譜，證實了磷酸鎳的成功制備。

圖1. (a)三電極體系中通過循環伏安法在-1.2~0.2 V (vs. Ag?/Ag)內以20 mV s?1電沉積磷酸鎳薄膜的示意圖；(b)10×10 cm2的磷酸鎳薄膜和三個不同位置的透過光譜；(c)在FTO基底上磷酸鎳的SEM圖像；(d)TEM和SEAD圖像，以及(e)斷面SEM；(f)磷酸鎳的XPS光譜，(g) Ni 2p，(h) P 2p，和(i) O 1s光譜。

II 磷酸鎳薄膜的電致變色和儲能性質

通過一系列的電化學表征，對磷酸鎳的電致變色以及能量存儲性能進行了分析。圖2(a)為CV曲線和動態光譜響應，說明了磷酸鎳薄膜在電化學和光學上的可逆性。圖2(b)是著色態和褪色態下的透過率光譜，所獲得的磷酸鎳薄膜在500 nm波長處達到了90.8%的光學調制，插圖中的數碼照片也證實了超大光學調制的實現。通過圖2(c)計時電流曲線和原位光譜響應，可以計算得到著色和褪色時間分別為7.1和9.6秒，同時再次證明了光學和電化學可逆性。由圖2(d)可以得到磷酸鎳薄膜的著色效率為75.4 cm2 C?1。通過圖2(e)中磷酸鎳薄膜光學調制、著色效率和褪色態透過率與相關工作對比，表現出磷酸鎳薄膜電致變色性能的優異性。根據圖3(a)中不同掃速下的CV曲線，可以得到圖3(b)中b?和b?的值分別為0.513和0.502，說明磷酸鎳薄膜的電化學反應過程主要受擴散控制。圖3(c)為薄膜的充放電過程及其伴隨的光學性質變化，這種光學性質的改變能夠作為電荷存儲水平的依據。圖3(d)中光學調制和比容量伴隨著電流密度的變化趨勢，表明了磷酸鎳薄膜良好的倍率性能。

圖2. 磷酸鎳薄膜的電化學和電致變色性能。(a)在1M KOH電解液中10 mV s?1的CV曲線和500 nm波長下的原位響應光譜；(b)在300-800 nm波長下著色態(0.7 V vs. Ag?/Ag)和褪色(0 V vs. Ag?/Ag)態的光學透過率曲線，插圖為著色和褪色態的數碼照片；(c)通過施加持續30秒的0和0.7 V(vs. Ag?/Ag)的交變電位，記錄了電流密度和500 nm波長處對應的原位響應光譜；(d)500 nm波長下的著色效率；(e)光學調制、著色效率和透過率與其他鎳基電致變色材料對比的直方圖。

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