北京航空航天大学CEJ: 高稳定性/高着色效率的纳米复合材料电致变色双功能器件

【背景介绍】

电致变色是指材料的光学属性在交替变化外电场的作用下，通过注入或抽取电荷（离子或电子）而发生可逆的变化，这一特点使其在节能与储能领域一直发挥着重要作用，因此提升电致变色器件的稳定性是至关重要的。二氧化锰是一种典型的表面氧化还原型赝电容材料，可实现从浅黄色到深褐色的颜色变化，并因其优良的多孔结构，高比电容和高表面积而被用来改善电致变色材料的电容和循环稳定性等电化学性能。近日，北京航空航天大学钟晓岚副教授团队在【Chemical Engineering Journal456, 141075 (2023)】和【Solar energy materials and solar cells 253, 112239 (2023)】上先后报道了传统无机电致变色材料普鲁士蓝（PB）和有机电致变色材料聚苯胺（PANI）与二氧化锰共掺形成纳米复合结构，复合材料均表现出高电容和优秀的电化学循环稳定性。全器件同时还表现出丰富的颜色变化及出色的双稳态特征。这对未来高性能、低碳、环保的智能储能器件的应用具有重要的研究价值。

【成果一简介】

普鲁士蓝与二氧化锰复合

以普鲁士蓝（PB）为支撑，在其表面进行二氧化锰（MnO₂）的二次电沉积，制备得到的新型无机电致变色复合材料在外加电压下实现浅黄、蓝、绿、黄四种颜色切换，克服了无机材料变色单一的固有缺陷，同时该材料在经过1500圈循环测试后，CV曲线包络面积保持最初的99.62%，3000圈测试后，光学调制幅度保持最初的112.12%，说明材料循环稳定性良好，具有更好的实用性。另外该新型材料面电容高达25.34 mF/cm²，相比PB和MnO₂，提高了约2~3倍，并且和目前文献中已报道的其他材料面电容也是可相媲美的。为全面分析材料性能，将该材料作为电极应用在电致变色储能双功能器件中，该器件可以在较短的响应时间内（2.98 s/3.62 s）实现明显的颜色变化，着色效率高达2019.57 cm²/C。相关研究成果以题为“A dual-function device with high coloring efficiency based on a highly stable electrochromic nanocomposite material”发表在期刊【Chemical Engineering Journal456, 141075 (2023)】，北京航空航天大学物理学院的研究生苏英杰为第一作者。

【图文一导读】

图1：MnO₂、PB和PB/MnO₂三种材料的SEM和TEM微观表征

图2：MnO₂、PB和PB/MnO₂的电化学性能及储能性能表征以及PB/MnO₂稳定性测试表征

图3：双功能器件与其他文献已报道器件的着色效率对比图

【成果二简介】

聚苯胺与二氧化锰复合

以聚苯胺（PANI）为支撑，通过一步电化学共沉积方法制备的聚苯胺（PANI）/二氧化锰（MnO₂）复合膜，表现出类似珊瑚状纳米孔的结构。这种特殊的结构可以扩大表面积，缩短离子扩散长度，并缓冲充放电过程中的体积膨胀应力。与PANI薄膜相比，复合薄膜可以在-1.5V-1.5V的大电压窗口下稳定运行，比电容提高了18%，比电容保持率在1000次循环内由54%提高到75%。此外，将其作为电极应用在电致变色储能双功能器件中，可以在-2 V-1.5 V的大电压窗口下稳定运行。在163 mW cm^-2的区域功率密度下，其区域能量密度为8.49 mWh cm^-2。同时，它表现出37.4%的优秀调制幅度，颜色在-2V到1.5V之间变化明显，为监测器件的工作状态提供了实验依据。该研究成果对基于PANI的电化学器件领域具有重要意义，并为高性能电致变色储能器件提供了设计思路。相关研究成果以题为“High performance PANI/MnO₂ coral-like nanocomposite anode for flexible and robust electrochromic energy storage device”发表在期刊《Solar energy materials and solar cells》，北京航空航天大学物理学院的研究生田梦寒和刘雪晴为共同第一作者。

【图文二导读】

图1：PANI、MnO₂和PANI/MnO₂三种材料的SEM微观表征

图2：PANI、和PANI/MnO₂的电化学性能及储能性能表征

图3：双功能器件的电化学性能及储能性能表征

【总结与展望】

本文展示了具有高稳定性、高着色率、高比电容的电致变色纳米复合材料全器件。利用MnO₂与无机材料普鲁士蓝或与有机材料聚苯胺复合，其复合膜在MnO₂协同作用下实现了器件的多色彩变化，响应时间短，电化学性能优异。该工作在器件储能实时监测方面具有很大的应用前景。

文献链接：

成果一：Su, Y.; Wang, Y.; Lu, Z.; Tian, M.; Wang, F.; Wang, M.; Diao, X.; Zhong, X. * A Dual-Function Device with High Coloring Efficiency Based on a Highly Stable Electrochromic Nanocomposite Material. Chemical Engineering Journal 2023, 456, 141075. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141075.

成果二：Tian, M.; Liu, X.; Diao, X.; Zhong, X. * High Performance PANI/MnO₂ Coral-like Nanocomposite Anode for Flexible and Robust Electrochromic Energy Storage Device. Solar Energy Materials and Solar Cells 2023, 253, 112239. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112239.

本文由作者供稿