电致变色材料应用于节能建筑、智能显示等领域, 是最具研究前景的智能材料之一。液相法制备WO₃电致变色薄膜可以构建复杂多元变色结构, 在光调制幅值、响应时间, 特别是大面积低成本制备方面显现出巨大的潜力。本研究旨在开发一种低成本、易于规模化的WO₃纳米晶液相镀膜工艺, 改善液相法常见的循环稳定性差和制备工艺复杂的问题。通过该方法制备了光调制幅度高、响应迅速和抗疲劳性能好的WO₃电致变色薄膜。本工作对退火工艺进行优化, 成功合成出低聚集度、高结晶性的WO₃纳米粉体。通过球磨分散制备WO₃纳米晶镀膜液, 探究球磨对WO₃纳米粒子的性能影响, 针对薄膜微结构和镀膜液结晶性对其电致变色性能进行工艺优化。获得了高光学调制幅度(82%), 短响应时间(t_c/t_b: 8 s/4.2 s), 高着色效率(81.5 cm²·C^-1)和高循环稳定性(>1000次)的WO₃电致变色薄膜。本工作通过改性WO₃纳米粉体结晶和分散性能, 全面提升了纳米晶液相镀膜技术制备的WO₃电致变色薄膜性能, 表明采用液相法制备WO₃电致变色薄膜在变色性能和循环稳定性上有望突破可实用水平。

电致变色材料是一类可以通过调节光和热而减少能源使用的节能环保材料, 特别是化学性质稳定的过渡金属氧化物, 作为电致变色材料得到广泛研究。近年来, 双金属氧化物由于存在两种可变价态的金属离子, 具有更好的电化学活性而逐渐受到关注。本研究采用水热法成功在透明导电基底上直接生长了Ti₂Nb₁₀O₂₉薄膜, 并探究了前驱体中铌钛原子比对薄膜电致变色性能的影响。结果表明, 由铌钛原子比为3 : 1的前驱体制备的薄膜具有较好的电致变色性能。Ti₂Nb₁₀O₂₉薄膜在−1.6 V呈蓝灰色, 在0.4 V呈无色透明状; 在300~1100 nm的宽波长范围内, 均有较高的光调制幅度, 其褪色态的透过率接近90%; 在波长750 nm处的最大光调制幅度达69.4%; 对薄膜施加-1.6 V、60 s和0.4 V、15 s的方波电位, 测得其着色时间和褪色时间分别为29.8和5.9 s; 薄膜的着色效率为68.3 cm²·C^-1。本研究制备的Ti₂Nb₁₀O₂₉薄膜拓展了双金属氧化物电致变色材料的种类, 具有良好的应用前景。

钼酸镍(NiMoO₄)是一种在储能和催化领域具有优异性能的材料, 但在电致变色领域还缺乏深入探索研究。本研究未使用晶种层, 采用水热法在透明导电玻璃基底上生长了多孔NiMoO₄薄膜。采用掠入射X射线衍射仪(GIXRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)对NiMoO₄纳米片薄膜样品的晶相和微观形貌进行了表征, 并研究了NiMoO₄薄膜的电化学性能和电致变色性能。结果表明: NiMoO₄电致变色薄膜具有多孔结构, 能够为离子迁移提供充足的通道和反应活性位点。因此, NiMoO₄薄膜表现出优异的电致变色性能, 其光调制幅度达到79.6%, 着色效率为86.2 cm²·C^-1, 着色和褪色时间分别为9.5和12.7 s(在褪色过程存在一个快速和一个慢速步骤), 经过100次着色和褪色循环后光调制幅度仍可以保持最大光调制幅度的99.7%。此外, 该薄膜在0.3 mA·cm^-2的电流密度下的面积比电容高达49.59 mF·cm^-2。上述优异的性能使NiMoO₄纳米片薄膜有望在高性能电致变色器件中得到重要应用。在器件的组装过程中, 探索合适的电解质以及与NiMoO₄薄膜相匹配的对电极将是下一步研究工作的重点。

柔性反射式电致变色器件在电子纸显示、伪装、智能变色表面等领域应用前景广阔，但仍存在柔性差、对比度低、稳定性不佳等问题。本工作采用电子束蒸发法在玻璃和柔性PET衬底上制备了Cr/Ag/WO₃（CAW）结构无铟反射式电致变色薄膜。CAW薄膜具有高反射率和低面电阻，其可见光平均反射率高达89.1%，面电阻仅为1.2 Ω/□。在电致变色性能方面，CAW薄膜展示出快着色及褪色响应时间（分别为9.3 s和2.0 s）、高达83.0%（564 nm）的反射光学对比度、大范围的反射颜色调节（> 40 nm）和良好的电化学循环稳定性（>4 500 次）。此外，CAW薄膜具有良好的衬底兼容性，我们制备了柔性CAW薄膜并组装了图案化柔性电致变色器件，柔性薄膜在弯折2 000次后性质基本无衰减，对比度达83.2%（574 nm），器件在不同电压作用下实现了丰富的反射颜色动态调控。这些结果将为高性能柔性反射式电致变色器件构建提供简单有效的指导，在新型显示技术领域有一定应用潜力。

WO₃是理想的无机电致变色材料，其电致变色机制是在电压作用下发生可逆的氧化还原反应，并伴随着电解质离子在材料内部的嵌入和脱出。本文研究了含有Li⁺、Zn²⁺、Al³⁺的三种水系电解质对无定形WO₃电致变色性能的影响。结果表明，当以Al³⁺作为嵌入离子时，WO₃获得了最好的电致变色性能，包括快响应速度（着色响应时间2.8 s，褪色响应时间1.1 s）、大光学对比度（700 nm处达83.4%）、优异的循环稳定性（连续循环 1 000次仅衰减2.8%）、高着色效率（74.7 cm²·C^-1），其综合性能在已报道的WO₃电致变色器件中处于较高水平。机制研究发现，Al³⁺水系电解质溶液中性能的提升得益于快速的离子传输动力学。这些结果将为高性能电致变色器件构建和电解质优选提供简单有效的指导。

电致变色材料因其颜色随外加电压变化的特性, 可用于新型显示器件。目前, 彩色电致变色器件(Multicolor electrochromic devices, MCECDs)大多使用几种不同颜色的有机材料制备的, 流程较为复杂。为了简化制备流程, 本课题组提出了一种具有红、蓝、绿、黄四种典型颜色的普鲁士蓝类似物的复合电致变色(MC-PBA)薄膜, 以实现性能优异的变色器件。本工作通过两步电沉积法制备了锌铁普鲁士蓝类似物(Zn-Fe PBA)薄膜, 其循环伏安曲线仅有一对氧化还原峰, 对应于Fe^Ⅲ/Fe^Ⅱ间的氧化还原反应, 在10000圈循环后性能几乎不发生衰减。该薄膜为白色且在电化学循环过程中几乎不发生颜色变化, 在与MC-PBA薄膜组装相应的电致变色器件(Z-MCECD)时不会对颜色产生影响, 并且其作为离子存储层可以显著减低过电势(从4.0 V降低至1.5 V)。得益于此, 所组装的Z-MCECD在保有红、蓝、绿、黄四种典型颜色状态的同时, 工作电压更低, 循环稳定性也得到显著提高(2400 s内透过率调控范围几乎没有发生衰减, 在3600 s后仍保持有初始的74.4%; 而对照组在1200 s后发生不可逆的性能衰减)。基于Z-MCECD的电致变色器件在彩色电致变色显示领域表现出相当大的应用潜力。