CN118151449A - 一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电致变色储能器件技术领域，具体涉及一种基于多金属氧酸盐‑TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色‑能量存储器件的制备方法，包括工作电极、电解液、对电极。所述工作电极是导电基底上覆有一层电致变色层，所述电致变色层为多金属氧酸盐‑TiCl4改性金属氧化物复合膜；所述电解液为含有活性Li+离子的溶液；所述对电极是导电基底上覆有电荷平衡层，所述电荷平衡层为多孔NiO薄膜。本发明通过对工作电极进行改进后器件在光学对比度以及着色效率上有不错的表现，同时具有节能的目的。
Description
技术领域
本发明属于电致变色储能器件技术领域，具体涉及一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件的制备方法。
背景技术
为应对能源危机，能源转换、节能和储能装置成为研究热点，可持续能源存储技术和传统能源的高效利用已成为世界范围内的研究热点。多金属氧酸盐作为电致变色材料，具有比较优异的电化学性能以及电致变色性能，在可见光区域有着不错的光调制。金属氧化物(TMO)材料因其电致变色性能和作为智能窗户、显示器和储能设备的潜在应用而被广泛研究。在这些TMO中，NiO由于其低成本、高光学对比度和合适的电压窗口而成为最有前途的阳极电致变色材料之一。但由于单纯的多金属氧酸盐以及NiO的光调制较差，于是开发出一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件的制备方法，通过改进对电极来提升器件的电致变色和储能性能。
本发明采用的技术方案为：
一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，所述高性能电致变色-能量存储器件包括工作电极、电解液和对电极；所述工作电极是导电基底上覆有一层电致变色层，所述电致变色层为多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜；所述电解液为含有活性Li+离子的溶液；所述对电极是导电基底上覆有电荷平衡层，所述电荷平衡层为多孔NiO薄膜。
进一步的，上述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，所述多金属氧酸盐为P2W17-V。
更进一步的，上述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，所述P2W17-V的制备方法为：在140mL 0.5M HCl中加入10mL 0.5M NaVO3，然后加入25g P2W17，溶解后加入22g KCl，过滤掉沉淀物并从30mL0.1M HCl中重新结晶。
更进一步的，上述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，所述含有活性Li+离子的溶液为1M LiClO4/PC溶液。
更进一步的，上述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，所述导电基底为FTO玻璃。
上述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件的制备方法，包括如下步骤：
1)工作电极的制备：通过丝网印刷在FTO玻璃上制备TiO2薄膜后，将其放置在马弗炉中，在450℃高温下烧结30min，形成超薄TiO2薄膜后将其放入0.05M TiCl4水溶液中，在70℃下浸泡15min，得到以TiCl4改性的TiO2，之后以浓度为10mg/mL的P2W17-V的水沉积液为电解液，采用电化学循环伏安法，得到高性能P2W17-V-TiO2改性复合膜；
2)对电极的制备：将NiSO4的水溶液和K2S2O8的水溶液在烧杯中混合均匀，将FTO玻璃垂直***烧杯中，缓慢加入氨水后进行化学浴沉积，去离子水洗涤后放入马弗炉中煅烧得到多孔NiO薄膜；
3)以P2W17-V-TiO2改性复合膜为工作电极、1M LiClO4/PC溶液作为电解液和多孔NiO薄膜为对电极组装成高性能电致变色-能量存储器件。
进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述电化学循环伏安法是：以TiCl4改性的TiO2为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为-1.0V～0.3V，扫速为100mV/s，循环圈数为30次。
进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述NiSO4的水溶液的浓度为0.6M，K2S2O8的水溶液的浓度为0.32M，氨水的加入量为3mL。
进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述化学浴沉积的条件：常温化学浴沉积10min。
进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述煅烧的条件：400℃煅烧2h。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用多孔NiO薄膜作为离子存储层和TiCl4改性后的工作电极，提高了器件的响应时间同时弥补的单纯薄膜的光调制不足，具有较好的能级匹配，降低电子过渡势垒，相同电压下具有更大的光学调制，提高了着色效率以及储能性能，达到了节能的目的，TiCl4改性后记忆时间有所延长。
2、本发明中工作电极和对电极制备过程简单，操作容易，成本低。
附图说明
图1是实施例1制备的EESD1在紫外可见波长600nm、施加电压在-2～1.2V时的透过率变化情况图。
图2是实施例2制备的EESD2在紫外可见波长600nm、施加电压在-2～1.2V时的透过率变化情况图。
图3是实施例3制备的EESD3在紫外可见波长600nm、施加电压在-2～1.2V时的透过率变化情况图。
图4是实施例4制备的EESD4在紫外可见波长600nm、施加电压在-2～1.2V时的透过率变化情况图。
图5是实施例5制备的EESD5在紫外可见波长600nm、施加电压在-2～1.2V时的透过率变化情况图。
图6是EESD1～EESD5记忆时间性能的对比情况图。
具体实施方式
为了突显本发明的技术优势以及优异的性能，下面将结合附图和具体实施例进行进一步说明。以下具体实施例仅用于本发明，具体实施过程也可根据技术人员的理解和实际情况进行调整。
实施例1基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件(EESD1)
(一)制备方法
1、工作电极的制备
P2W17-V的制备：在140mL 0.5M HCl中加入10mL 0.5M NaVO3，然后加入25g(5mM)P2W17，溶解后加入22g KCl，过滤掉沉淀物并从30mL 0.1M HCl中重新结晶。
丝网印刷在FTO玻璃上制备2层厚度为6.44μm的TiO2薄膜后，将其放置在马弗炉中，在450℃高温下烧结30min，形成超薄TiO2薄膜后将其放入0.05M TiCl4水溶液中，在70℃下浸泡15min，得到以TiCl4改性的TiO2，之后以浓度为10mg/mL的P2W17-V的水沉积液为电解液，采用电化学循环伏安法，以TiCl4改性的TiO2为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为-1.0V～0.3V，扫速为100mV/s，循环圈数为30次，得到高性能P2W17-V-TiO2改性复合膜。
2、对电极的制备
将0.6M NiSO4的水溶液和0.32M K2S2O8的水溶液在烧杯中在80℃下混合均匀，将FTO玻璃垂直***烧杯中，随后缓慢加入3mL氨水，常温化学浴沉积10min，去离子水洗涤后放置马弗炉中400℃煅烧2h得到多孔NiO薄膜。
3、电解液的制备
将1.06g LiClO4在室温下磁力搅拌溶于10mL PC溶液中，待完全溶解后，得1MLiClO4/PC溶液。
4、器件组装
以本实施例制备的P2W17-V-TiO2改性复合膜为工作电极，LiClO4/PC溶液为电解液，多孔NiO薄膜为对电极，组装成高性能电致变色-能量存储器件，标记为EESD1。
(二)性能测试
在所制备的器件EESD1中，工作电极为负极，对电极为正极进行测试，施加电压为-2～1.2V的跃阶电压进行测试，周期为10s，正负电压的施加时间相同，在紫外可见分光光度计中测试，波长为600nm，器件的透过率变化如图1所示，器件的光学对比度为59％，着色时间为2.34s，褪色时间为2.1s。
实施例2基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件(EESD2)
(一)制备方法
1、工作电极的制备
P2W17-V的制备：在140mL 0.5M HCl中加入10mL 0.5M NaVO3，然后加入25g(5mM)P2W17，溶解后加入22g KCl，过滤掉沉淀物并从30mL 0.1M HCl中重新结晶。
丝网印刷在FTO玻璃上制备2层厚度为6.44μm的TiO2薄膜后，将其放置在马弗炉中，在450℃高温下烧结30min，形成超薄TiO2薄膜后将其放入0.05M TiCl4水溶液中，在70℃下浸泡30min，得到以TiCl4改性的TiO2，之后以浓度为10mg/mL的P2W17-V的水沉积液为电解液，采用电化学循环伏安法，以TiCl4改性的TiO2为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为-1.0V～0.3V，扫速为100mV/s，循环圈数为30次，得到高性能P2W17-V-TiO2改性复合膜。
2、对电极的制备
同实施例1的方法。
3、电解液的制备
同实施例1的方法。
4、器件组装
以本实施例制备的P2W17-V-TiO2改性复合膜为工作电极，LiClO4/PC溶液为电解液，多孔NiO薄膜为对电极，组装成高性能电致变色-能量存储器件，标记为EESD2。
(二)性能测试
在所制备的器件EESD2中，工作电极为负极，对电极为正极进行测试，施加电压为-2～1.2V的跃阶电压进行测试，周期为10s，正负电压的施加时间相同，在紫外可见分光光度计中测试，波长为600nm，器件的透过率变化如图2所示，器件的光学对比度为64.8％，着色时间为2.2s，褪色时间为3.2s。
实施例3基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件(EESD3)
(一)制备方法
1、工作电极的制备
P2W17-V的制备：在140mL 0.5M HCl中加入10mL 0.5M NaVO3，然后加入25g(5mM)P2W17，溶解后加入22g KCl，过滤掉沉淀物并从30mL 0.1M HCl中重新结晶。
丝网印刷在FTO玻璃上制备2层厚度为6.44μm的TiO2薄膜后，将其放置在马弗炉中，在450℃高温下烧结30min，形成超薄TiO2薄膜后将其放入0.05M TiCl4水溶液中，在70℃下浸泡45min，得到以TiCl4改性的TiO2，之后以浓度为10mg/mL的P2W17-V的水沉积液为电解液，采用电化学循环伏安法，以TiCl4改性的TiO2为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为-1.0V～0.3V，扫速为100mV/s，循环圈数为30次，得到高性能P2W17-V-TiO2改性复合膜。
2、对电极的制备
同实施例1的方法。
3、电解液的制备
同实施例1的方法。
4、器件组装
以本实施例制备的P2W17-V-TiO2改性复合膜为工作电极，LiClO4/PC溶液为电解液，多孔NiO薄膜为对电极，组装成高性能电致变色-能量存储器件，标记为EESD3。
(二)性能测试
在所制备的器件EESD3中，工作电极为负极，对电极为正极进行测试，施加电压为-2～1.2V的跃阶电压进行测试，周期为10s，正负电压的施加时间相同，在紫外可见分光光度计中测试，波长为600nm，器件的透过率变化如图3所示，器件的光学对比度为65.6％，着色时间为2.0s，褪色时间为2.6s。
实施例4基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件(EESD4)
(一)制备方法
1、工作电极的制备
P2W17-V的制备：在140mL 0.5M HCl中加入10mL 0.5M NaVO3，然后加入25g(5mM)P2W17，溶解后加入22g KCl，过滤掉沉淀物并从30mL 0.1M HCl中重新结晶。
丝网印刷在FTO玻璃上制备2层厚度为6.44μm的TiO2薄膜后，将其放置在马弗炉中，在450℃高温下烧结30min，形成超薄TiO2薄膜后将其放入0.05M TiCl4水溶液中，在70℃下浸泡60min，得到以TiCl4改性的TiO2，之后以浓度为10mg/mL的P2W17-V的水沉积液为电解液，采用电化学循环伏安法，以TiCl4改性的TiO2为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为-1.0V～0.3V，扫速为100mV/s，循环圈数为30次，得到高性能P2W17-V-TiO2改性复合膜。
2、对电极的制备
同实施例1的方法。
3、电解液的制备
同实施例1的方法。
4、器件组装
以本实施例制备的P2W17-V-TiO2改性复合膜为工作电极，LiClO4/PC溶液为电解液，多孔NiO薄膜为对电极，组装成高性能电致变色-能量存储器件，标记为EESD4。
(二)性能测试
在所制备的器件EESD4中，工作电极为负极，对电极为正极进行测试，施加电压为-2～1.2V的跃阶电压进行测试，周期为10s，正负电压的施加时间相同，在紫外可见分光光度计中测试，波长为600nm，器件的透过率变化如图4所示，器件的光学对比度为68.4％，着色时间为2.1s，褪色时间为2.3s。
实施例5基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件(EESD5)
(一)制备方法
1、工作电极的制备
P2W17-V的制备：在140mL 0.5M HCl中加入10mL 0.5M NaVO3，然后加入25g(5mM)P2W17，溶解后加入22g KCl，过滤掉沉淀物并从30mL 0.1M HCl中重新结晶。
丝网印刷在FTO玻璃上制备2层厚度为6.44μm的TiO2薄膜后，将其放置在马弗炉中，在450℃高温下烧结30min，形成超薄TiO2薄膜后将其放入0.05M TiCl4水溶液中，在70℃下浸泡75min，得到以TiCl4改性的TiO2，之后以浓度为10mg/mL的P2W17-V的水沉积液为电解液，采用电化学循环伏安法，以TiCl4改性的TiO2为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为-1.0V～0.3V，扫速为100mV/s，循环圈数为30次，得到高性能P2W17-V-TiO2改性复合膜。
2、对电极的制备
同实施例1的方法。
3、电解液的制备
同实施例1的方法。
4、器件组装
以本实施例制备的P2W17-V-TiO2改性复合膜为工作电极，LiClO4/PC溶液为电解液，多孔NiO薄膜为对电极，组装成高性能电致变色-能量存储器件，标记为EESD5。
(二)性能测试
在所制备的器件EESD5中，工作电极为负极，对电极为正极进行测试，施加电压为-2～1.2V的跃阶电压进行测试，周期为10s，正负电压的施加时间相同，在紫外可见分光光度计中测试，波长为600nm，器件的透过率变化如图5所示，器件的光学对比度为67.2％，着色时间为2.0s，褪色时间为2.5s。
实施例6EESD1～EESD5记忆时间性能的对比情况
性能测试
将制备后的所有EESD1～EESD5工作电极为负极，对电极为正极并施加-2V电压20s后断电进行稳态记忆时间测试，随着TiCl4改性时间的增加ESSD的着色态逐渐加深，颜色衰减80％后EESD1的稳态时间为291s，EESD2的稳态时间为653s，EESD3的稳态时间为1025s，EESD4的稳态时间为1144s，EESD5的稳态时间为1164s。
Claims (10)
1.一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，其特征在于，所述高性能电致变色-能量存储器件包括工作电极、电解液和对电极；所述工作电极是导电基底上覆有一层电致变色层，所述电致变色层为多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜；所述电解液为含有活性Li+离子的溶液；所述对电极是导电基底上覆有电荷平衡层，所述电荷平衡层为多孔NiO薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，其特征在于，所述多金属氧酸盐为P2W17-V。
3.根据权利要求2所述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，其特征在于，所述P2W17-V的制备方法为：在140mL 0.5M HCl中加入10mL 0.5M NaVO3，然后加入25g P2W17，溶解后加入22g KCl，过滤掉沉淀物并从30mL 0.1M HCl中重新结晶。
4.根据权利要求2所述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，其特征在于，所述含有活性Li+离子的溶液为1MLiClO4/PC溶液。
5.根据权利要求4所述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件，其特征在于，所述导电基底为FTO玻璃。
6.权利要求5所述的一种基于多金属氧酸盐-TiCl4改性金属氧化物复合膜和多孔NiO薄膜的高性能电致变色-能量存储器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)工作电极的制备：通过丝网印刷在FTO玻璃上制备TiO2薄膜后，将其放置在马弗炉中，在450℃高温下烧结30min，形成超薄TiO2薄膜后将其放入0.05M TiCl4水溶液中，在70℃下浸泡15min，得到以TiCl4改性的TiO2，之后以浓度为10mg/mL的P2W17-V的水沉积液为电解液，采用电化学循环伏安法，得到高性能P2W17-V-TiO2改性复合膜；
2)对电极的制备：将NiSO4的水溶液和K2S2O8的水溶液在烧杯中混合均匀，将FTO玻璃垂直***烧杯中，缓慢加入氨水后进行化学浴沉积，去离子水洗涤后放入马弗炉中煅烧得到多孔NiO薄膜；
3)以P2W17-V-TiO2改性复合膜为工作电极、1M LiClO4/PC溶液作为电解液和多孔NiO薄膜为对电极组装成高性能电致变色-能量存储器件。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述电化学循环伏安法是：以TiCl4改性的TiO2为工作电极，Pt丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，沉积电位为-1.0V～0.3V，扫速为100mV/s，循环圈数为30次。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述NiSO4的水溶液的浓度为0.6M，K2S2O8的水溶液的浓度为0.32M，氨水的加入量为3mL。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述化学浴沉积的条件：常温化学浴沉积10min。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述煅烧的条件：400℃煅烧2h。
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