高弹体上的喷墨印刷金属氧化物纳米颗粒应用于应变自适应透射电致变色能量存储系统外文翻译资料

 2022-01-21 09:01

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高弹体上的喷墨印刷金属氧化物纳米颗粒应用于应变自适应透射电致变色能量存储系统

摘要：软能设备的出现为各种应用提供了新的可能性，与此同时它也在结构设计和材料兼容性的选择方面带来了重大挑战。在此，我们通过在高弹体透明导体上喷墨印刷单层WO 3纳米颗粒来展现可拉伸的透射电致变色能量存储装置。这种混合电极具有高导电性和可变形性，使其成为应用的理想选择：40％的大光学调制，快速切换速度（lt;4.5 s），高着色效率（75.5 cm2 C-1），良好的稳定性和高特异性容量（32.3 mAhg-1和44.8 mAh cm-3）。该装置由基于WO3的混合电极和聚苯胺/碳纳米管复合电极组成。即使拉伸至50％，它仍保持优异的电致变色和储能性能，并且最大面积能量密度为0.61mu;Whcm-2，功率密度为0.83 mW cm-2，这是可拉伸透明能量存储设备中的最高值之一。具有可拉伸透明纳米线电极的装置被视为能量指示器，其中可通过可逆颜色变化监测所存储的能量。 这种高性能和多功能电致变色能量存储装置是可变形和可穿戴电子设备的极有前景的候选者。

1.简介：可穿戴电子设备的最新成果具有透明，灵活，可拉伸性或可印刷性等诸多特性，这激发了“智能和柔软”的能源设备的发展。 电致变色器件可以在低功耗下可逆地改变颜色，并在许多领域得到应用，例如信息显示器，电子纸，迷彩服，节能智能窗和防眩晕汽车镜。 最近，柔性电致变色装置得到了更多关注，因为它们的应用范围可以扩展到灵活展示(flexible displays？)，电子书，智能衣服和电子迷彩皮肤。此外，电致变色显示器应该可以伸展用于未来的智能服装和植入式显示器应用，因为可拉伸性是可穿戴电子系统的主要条件。可伸缩的电致变色装置应该是机械稳固且可变形的同时不会降低性能。 它们可以适应复杂的非平面表面，可以集成到复杂的可穿戴系统中。

集成这种电致变色和储能效果对于实现多功能便携式电子设备是非常有吸引力的行为，因为它们能够通过视觉颜色变化来指示所存储的能量水平和这些存储的能量变化的检测。 几个课题组已经通过在透明导电氧化物玻璃基板上沉积各种电致变色材料如氧化钒（V2O5），聚苯胺(PANI)/ WO3和普鲁士蓝来制造电致变色能量存储装置。最近，已经报道了基于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上的PANI纳米线(NW)阵列和纤维素纳米纤维/ 银纳米线 /还原石墨烯-氧化物/ WO 3复合电极的柔性电致变色超级电容器的工作。然而，在解决可拉伸电致变色能量存储装置的可行性方面缺乏报道。

具有透明性和高拉伸性的电化学装置仍然是迄今为止前所未有的挑战，因为电极材料需要在宽光谱范围内满足高透明度，高导电性等要求，在变形时不会严重劣化，具有出色的柔韧性和柔顺性，并且长时间保持大气和电化学耐久性。 嵌入聚合物基质中的银纳米线（AgNW）渗透网络已在广泛研究中被认为是可穿戴电子系统中最具竞争力的ST电极之一，如传感器，加热器，电磁干扰屏蔽膜等。然而，由于所需透明度和导电性/拉伸性/耐久性之间的折衷，开发具有高导电性和电化学装置稳定性的可拉伸透明（ST）电极仍然是一个巨大的挑战。 对于可拉伸透明电致变色器件（STED），Bao和他的同事通过在单壁碳纳米管（SWCNT）弹性导体上涂覆电致变色聚合物合成了可拉伸的电子皮肤。该装置在20％应变状态下保持其电致变色性质，但在50％应变状态下电致变色性能迅速降低。 我们小组还展示了可伸缩的电致变色器件，它们可以使用AgNW /聚二甲基硅氧烷（PDMS）保持其电致变色性能高达50％的应变状态，这是一种反射电致变色类型。 类似地，Liu及其同事报道了一种使用AgNW / PDMS电极的弹性电致变色器件，但该器件无法拉伸。对于可拉伸透明能量存储装置（STESD），已经使用了预应变CNT或石墨烯电极，但是该装置具有低面积能量密度，因为纳米碳膜需要足够薄以确保透明度。 最近，通过采用金属纳米线网络，STESD的面积能量密度增加了十倍以上。 Au纳米线，核-壳纳米线结构，例如， Ag-Au，Ag-Au-聚吡咯和Ag-Ni。然而，这些值仍然是柔性透明能量存储装置中的值的十分之一，例如，石墨烯-羟基氧化铁//石墨烯-氢氧化钴，因为金属纳米线或核-壳网络仅覆盖整个电极的一小部分以保持透明度。 此外，金属基ST电极仍然在空气和电解质中遭受氧化和腐蚀，阻碍了实际的电化学应用。由于这些原因，一项先前的工作尝试了使用PANI /预应变碳纳米管（CNT）的混合电致变色超级电容器装置的可拉伸性，但是在拉伸模式下没有研究该装置的电致变色性能。 因此，迫切需要创新设计的可拉伸透明电极和器件配置，以实现高性能可拉伸透射电致变色能量存储装置(STEESD)。

在这里，我们提出了一种新的策略来制造基于AgNWs的ST电极用于高性能和稳定的STEESD：（1）选择WO3作为电致变色材料，因为WO3的工作电位可以低于0V 对应于 Ag / Ag （-0.6V至-0.2 V），通过延缓AgNWs的电化学氧化，有利于AgNWs基ST电极的电化学稳定性; （2）薄的(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate)(PEDOT:PSS)薄膜作为缓冲剂和钝化层沉积在WO3和AgNWs / PDMS之间，因为PEDOT：PSS可以防止Ag的氧化[41] ]，以及在WO3纳米颗粒和AgNWs之间提供更好的导电通路; （3）将透射性WO 3纳米颗粒均匀喷墨印刷在PEDOT：PSS / AgNWs / PDMS上。 作为一种精确的非接触式直接写入技术，喷墨打印可以实现高分辨率图案，有效使用材料，以及低成本和可扩展的生产
各种基材上的高质量均匀薄膜，可提供多功能性和改善性能。 此外，与WO3的传统涂覆工艺（例如喷涂，旋涂和浸涂）相比，喷墨印刷方法允许精确的厚度控制以及柔性图案设计。喷墨印刷已广泛用于在各种基材上印刷功能材料，包括金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒，用于柔性电子产品。 尽管先前对硬性（导电玻璃）或柔性（PET，聚酰亚胺）基板上的喷墨印刷金属氧化物膜进行了一些工作，但弹性体基底上的喷墨印刷金属氧化物膜特别令人生畏，因为油墨的表面张力和润湿性是 与弹性体基材不相容。在这项研究中，凭借PEDOT：PSS缓冲层，可以在弹性体上成功地喷涂薄且均匀的WO3层，这可以增强油墨和弹性体基材之间的相容性。 结果，与AgNW上的常规核-壳结构或电沉积WO 3相比，喷墨印刷的WO 3电极可以提供更高的面积容量，其中活性材料仅位于AgNWs网络周围。此外，它可以在拉伸至50％时保持其电致变色和储能功能。 基于这些发现，针对STEESDs展示了混合能量存储装置，其中可以通过着色（或透射率调制）来监测所存储的能级的变化。 这种混合电极和装置基于其电致变色和储能特性在其他ST电极中实现了最高性能。

2.实验细节：

2.1 电极制备：

ST导体是通过先前报道的方法的改进方法制造的，如图1（a）所示。 在使用前将AgNWs溶液稀释至0.3mg mL-1。 载玻片用丙酮洗涤，然后用去离子水洗涤，最后用异丙醇在超声波浴中洗涤15分钟，然后用氩气吹干。 通过通风橱内的喷枪将稀释的AgNWs溶液均匀喷涂到预清洁的载玻片上。 通过在100℃的热板上加热立即蒸发溶剂。此后，通过将SiO 2纳米颗粒分散在乙醇（浓度为3.5wt％）中制备SiO 2纳米颗粒悬浮液，然后将悬浮液以1000rpm旋涂到AgNW /玻璃表面上50秒。 通过以10：1的比例混合碱和交联固化剂来制备PDMS。 将液体混合物倒在透明导电基底上，然后在60℃下固化2小时。 之后，将膜浸入50℃的去离子水中30分钟。通过从玻璃载玻片上剥离复合膜获得ST导体。 通过将一层PEDOT：PSS旋涂到ST AgNW / PDMS基板上来制造稳定的ST导体。 最后，将ST导体在135℃加热30分钟以进行PEDOT：PSS固化。 根据我们之前的报道制备WO3纳米颗粒和墨水。 将WO3膜印刷在稳定的ST PEDOT：PSS / AgNWs电极上，并在60℃下干燥2小时。

2.2器件制备：

基于PANI和多壁碳纳米管（MWCNT）的混合物的可拉伸电极通过先前报道的具有改性的水 - 表面辅助途径合成。 在PANI / MWCNT的典型合成中，将4g PDMS和0.4g MWCNT溶解并在50mL二甲苯中超声处理，然后在培养皿中倒入去离子水中。 在PDMS完全固化并且二甲苯挥发后，在MWCNTs导体上沉积50nm厚的金层以增强导电性，然后在0.1mol / l苯胺和1摩尔/升H2SO4的溶液中将PANI聚合物电沉积到所得的可拉伸MWCNT导体上。可拉伸的电致变色能量存储装置已经与WO3 / PEDOT：PSS / AgNWs / PDMS，PANI / MWCNT，H2SO4 / PVA凝胶和3M VHB带分别作为负电极，正电极，电解质和隔板组装。 通过调节每个电极的面积比，已经对储能装置中的两个电极的容量进行了电荷平衡。

2.3 表征：

通过场发射扫描电子显微镜（FESEM，JEOL 7600F，Tokyo，Japan）和能量分散X射线光谱（EDS）绘图来表征可拉伸样品的结构，组成和形态。 使用定制的拉伸阶段来测试拉伸时的电阻变化。 使用Keithley分析仪（Model 4200，Cleveland，OH，USA）测量不同张力下的相对抗性变化。通过四点探针（Jandel RM3000，Linslade，UK）测量ST电极的薄层电阻，考虑到每个报告的数据基于5个测量点的平均值。 通过Konica CS-200（Osaka，Japan）光谱辐射计在0％至100％的不同拉伸应变下测试一个LED的亮度。 在三电极系统中测量电致变色性能和恒电流充电/放电曲线，其中弹簧卷绕的Pt线和Ag线作为由0.5M H2SO4和10wt％PVA组成的凝胶电解质中的对电极和参比电极。通过SHIMADZU UV-3600分光光度计（Tokyo，Japan）检测样品的透射率。 Solartron 1470E用于测量CV，恒电流充电/放电曲线和EIS曲线。 对于电致变色储能测试，测试在双电极系统中进行，其中组装了具有窗框设计的PANI / MWCNT电极作为工作电极，并且使用可拉伸的WO3 / PEDOT：PSS / AgNWs膜作为电极。

3.结果与讨论：

3.1 应变下的显微结构变化：

图1（a）说明了用于STEESD的稳定ST电极的制造过程。 通过通风橱内的喷枪将稀释的AgNWs溶液均匀喷涂到预清洁的载玻片上。 此后，将SiO 2纳米颗粒悬浮液旋涂在AgNW /玻璃表面上。 通过与PDMS聚合物基质和AgNWs的强范德华相互作用，SiO2纳米粒子可以极大地提高AgNWs的转移效率。同时还制备了没有SiO 2纳米颗粒的ST电极，薄层电阻比具有SiO 2纳米颗粒的ST电极高680倍。 因此，没有SiO 2纳米颗粒的ST电极由于其高的薄层电阻而不能满足电致变色装置的要求。 将液体PDMS混合物倒在透明导电AgNW /玻璃基板上，然后固化。通过从玻璃载玻片上剥离复合膜获得ST导体。 之后，将一层PEDOT：PSS旋涂到ST AgNW / PDMS导体上，然后加热ST导体以进行PEDOT：PSS固化。 如涂覆PEDOT：PSS之前和之后的AgNWs电极的SEM图像所示（图S1a和b），部分AgNW嵌入弹性体基质中，而其中一部分突出，其中暴露的突起可用作传导基点。AgNW的放大图像（图S1a的插图）显示SiO 2纳米颗粒紧密地包裹在AgNW周围。 在AgNWs / PDMS上涂覆PEDOT：PSS后，形态没有明显差异，只是在表面上可以观察到另外的聚合物薄层。 通过追踪PEDOT：PSS中存在的硫元素，通过EDS绘图进一步验证了PEDOT：PSS在AgNWs / PDMS的整个表面上的均匀分布（图S1c）。最后，通过喷墨印刷方法将电致变色活性WO 3纳米颗粒沉积在PEDOT：PSS / AgNW上。 PEDOT：作为缓冲层的PSS促进WO3纳米颗粒的均匀分布，在导电弹性体表面上具有约400nm的受控厚度（图1（b，c））。 如图1（d-f）所示，通过SEM在0％应变，50％应变和松弛状态（从50％应变恢复）下观察制备的电极的微观结构变化。在0％应变下裂纹宽度约为250-500nm（图1（d）），在50％应变时裂纹宽度增加到1mu;m以上（图1（e）），大部分宽裂纹变窄后变窄 电极从50％应变恢复到松弛状态（图1（f））。 这些结果意味着制备的电极可以在高机械变形下保持其电化学功能，这对于STEESD是非常期望的。

3.2． 应变下的光学和电学性质

制备的ST电极具有耐腐蚀性，强粘合性和优异的机械耐久性的优点。 PEDOT：PSS / AgNWs电极显示平坦透射光谱，在300-90

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资料编号：[803]

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