有关钴掺杂氧化镍电致变色薄膜的电化学制备和性能探讨

2022-12-17

电致变色是一种可逆变化的现象, 主要是材料的光学性能在外加电场的作用下产生的, 主要的变化就是颜色和透明度的变化。本文首先研究电致变色薄膜的制备方法, 然后进行钴掺杂氧化镍电致变色薄膜实验, 最后根据实验过程和结果进行科学分析, 得出结论。

一、电致变色薄膜的制备方法

针对氧化镍薄膜常用的方法介绍如下

1. 电化学沉积法

电化学沉积法是制备电致变色薄膜常用的方法, 电化学沉积技术是比较成熟的, 用这种方法进行电致变色薄膜制备可以把颜色从无色变为深棕色, 而且透光率可以在很高的范围进行连续调节, 着色效率相对来说比较高, 但也有一些不足之处, 比如薄膜的使用寿命有限。

2. 物理气相沉积法

溅射法和蒸发法是物理气相沉积法的主要内容, 主要是通过物理过程把粒子从源物质转移到基底上, 最后形成薄膜, 总体来说就是一个原子转移的物理过程, 物理气相沉积法具有成膜速度快、与基底的结合性能较好的优点, 同时不方便控制、制膜的成本较高等是它的缺点。

3. 凝胶法

溶胶-凝胶法主要包括旋涂法和浸涂法两种, 它是以有机盐为原材料, 与溶剂和水按照一定的比例混合的方法, 它可以使有机盐发生水解, 然后发生缩聚反应产生胶化现象, 当形成溶胶之后, 再采用高速旋转法使其在基底上形成薄膜, 凝胶法具有操作简单、成本低、便于控制薄膜结构等优点, 而主要的缺点就是不易长期保存、制出的薄膜与基底结合性较差[1]。

二、钴掺杂氧化镍电致变色薄膜的制备

1. 制备镀液

首先, 把一定量的Ni Cl2、Co Cl2、Li Cl O4放入容器中进行反应;然后再加入一定量的DMF溶剂, 它是一种有机溶剂;随后把加入有机溶剂后的反应溶液放入二甲基硅油中进行加热, 一般加热到50℃-60℃, 在这个温度下进行搅拌, 以至溶液完全变清, 最后把溶液放到干燥器中进行干燥, 干燥时间两天左右。

2. 电化学沉积实验

本文主要采用的是电化学沉积实验进行钴掺杂氧化镍电致变色薄膜的制备, 采用恒电位阴极电沉积方法来进行薄膜的制备, 用直流电源对沉积电压进行控制, 在恒温下进行一段时间的沉积, 最后得到所制备的薄膜。

3. 电致变色实验

在电致变色实验中, 所用的电解液是Na OH溶液, 溶液的浓度大约0.5mol/L。主要利用直流电源对电压进行控制, 等到把沉积有薄膜的FTO玻璃和铂片的电极连续和电源的正极、负极连接之后, 就可以对薄膜的颜色进行观察。经过观察发现, 当薄膜和电源的正极相连接的时候处于着色状态, 颜色逐渐变为棕黑色;当薄膜与电源的负极相连接的时候处于消色状态, 颜色逐渐变为透明色。

三、结果与分析

对制备成的薄膜结构进行分析的方法主要是有利用扫描电子显微镜进行分析、X射线衍射分析、红外光谱分析、透射电镜分析方法等。

为了精确沉积薄膜的工艺参数, 要进行正交试验。经过正交试验得出了相应的结果, 见图1和图2。

由图1、图2可以看出, B因素是影响实验结果的主要因素, 此时对应的优化方案是1水平;而在橙色光、绿色光、黄色光、和紫色光、蓝色光的波段下面, 影响实验结果的主要因素是C因素, 最终确定的正交试验的最优化方案是A3B1C1, 此外还可以看出, 影响实验结果的最大因素是沉积时间[2]。

此外钴掺杂氧化镍电致变色薄膜的电化实验有着很强的记忆存储能力, 不仅在空气中有很强的记记忆存储能力, 而且在碱液中也有很强的记忆存储能力。在二甲基甲酰胺中, 以Ni Cl2为主要的有机盐溶液, 掺杂进Co Cl2, 以Li Cl O4为电解质, 在FTO导电玻璃上沉积出Co掺杂Ni O薄膜;Co Cl2的浓度、趁机电位、沉积时间是影响实验结果的主要因素;虽然Co的掺杂对薄膜晶粒的大小无关, 但却对颗粒有相关效应, 增加了薄膜的透光率, 提高了薄膜电致变色反应的可逆性以及着色效率。