东华大学王宏志团队ACS Nano:高性能Na+离子电致变色助力廉价显示电子及物联网器件

【引言】

由于钠元素资源相对丰富且成本低廉，基于钠离子(Na⁺)的电化学体系在能源存储领域受到了广泛关注。也正是基于钠离子的多方面优势，研究人员也希望将钠离子应用到同样基于氧化还原反应的电致变色器件中去。顾名思义，电致变色是指材料光学属性在外加电场的作用下发生可逆的变化的现象，宏观表现为颜色和透明度的可逆变化，已经广泛应用于智能窗、汽车后视镜、智能显示等领域。但是由于Na⁺离子半径明显大于通用的Li⁺离子，导致其在传统电致变色电极如氧化钨中传输变得缓慢，从而极大地降低了电致变色材料的性能和循环寿命，限制了钠离子电化学体系在电致变色领域的应用。

【成果简介】

近日，东华大学王宏志研究团队与美国佐治亚理工王刚博士(现美国西北大学博士后)合作，将含有变色基团的有机配体组装成MOF电极，利用该类MOF结构中具有较大尺寸的一维离子通道，实现了钠离子的快速脱嵌，从而使得电致变色电极在Na⁺有机电解液中达到了极高的变色速度和变色效率。相关成果以题为“Ion-Transport Design for High-Performance Na⁺-Based Electrochromics”发表在ACS Nano上。文章的共同第一作者为东华大学李然博士生和李克睿博士(现新加坡国立大学博士后)。

【图文导读】

图一. 两种MOF的结构分析。

(a, b, c, d)两种MOF的SEM图像；

(e)两种MOF的XRD图；

(f, g)两种MOF的晶体结构示意图；

(h)两种MOF的N₂等温吸脱附曲线；

图二. MOF电极在不同电解液中电化学性能和离子传输示意图。

(a)MOF电极在不同电解液中的电化学阻抗图；

(b)MOF电极在Na⁺电解液中的循环伏安曲线；

(c)不同离子在MOF电极中的离子传输效率；

(d) MOF电极在不同电解液中离子传输机制图；

图3. MOF电极在不同电解液中的电致变色性能。

(a)MOF电极在Na⁺电解液中不同电压下的紫外吸收谱图；

(b)MOF电极在不同电压下的颜色示意图；

(c)MOF电极在不同离子电解液中的变色速率；

(d)两种MOF电极在Na⁺电解液中的变色速率；

(e)两种MOF电极在不同离子电解液中的变色效率；

(f)两种MOF电极在Na⁺电解液中的循环稳定性；

图4. 基与MOF电极的多彩电致变色器件和应用于共享单车的智能二维码。

 (a) MOF电极激光刻蚀制备流程图；

(b)基于刻蚀MOF电极的多色电致变色器件；

(c)基于MOF电极中智能二维码器件；

(d)可隐藏智能二维码器件应用于共享单车。

【小结】

研究团队通过将两种含有不同尺寸一维孔道(10 Å vs 33 Å)的MOF电极分别在Al³⁺、Li⁺、Na⁺和TBA⁺基电解液中进行测试，发现对于两种电极，既不是离子半径最小的Al³⁺离子也不是半径最大的TBA⁺传输最为迅速。尽管Na⁺离子半径要大于Li⁺离子和Al³⁺离子，却有着最高的离子传输效率。研究团队认为同时有两个重要的因素影响着离子传输：离子与传输路径间的空间位阻和离子与MOF框架上负电基团的静电相互作用。正是由于MOFs独特的结构导致其对不同离子脱嵌具有选择性。基于该类具有离子传输选择性的MOF材料，研究团队制备了快速变色，且具有高光调制范围与变色效率和良好的稳定性的钠离子电致变色电极。在此基础上，通过无模板的激光雕刻法刻蚀变色层和电极，成功制备了多彩电致变色显示器件与应用于共享单车的可隐藏智能二维码器件，证明了其在廉价电致变色和物联网电子器件邻域的发展潜力。

文献连接：Ion-Transport Design for High-Performance Na⁺-Based Electrochromics (ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b00974)

本文由李然博士撰写，材料牛编辑整理。欢迎加入材料人编辑部纳米材料学术交流群（228686798）！
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