论文总字数：21903字

摘 要

V₂O₅拥有高度正交的层状结构，可以允许大量离子在材料中的存储；随电化学反应的进行颜色多变，在可见光波长下具有良好的光学调制率。人们在研究中发现V₂O₅具有双电致变色性能及良好的稳定性，并发掘出其结构中存在的少量氧空位缺陷可以大幅度提升材料的电化学性能。这些种种优势使得V₂O₅如今成为了电致变色材料的热门研究对象之一。

如今研究V₂O₅的电致变色过程多采用锂离子电解液。但由于锂元素于地壳中含量较低，且随着锂离子电池研究和市场的不断拓宽，锂离子的市场更加供不应求，这使得我们需要寻找一种新的离子来深入V₂O₅电致变色性能的研究。而与锂同一种族的钠，其离子具有着与锂相似的结构性质，且钠元素无论在地壳中还是在海洋中都有着惊人的储量，这使得钠离子电解液的研究具有广阔的前景。如今已经有许多研究针对于钠离子电解液方面的研究，特别是针对于其电化学性能的探索，但电致变色性能方面还鲜有探索，因此此次选用了V₂O₅在钠离子基电解液中的电致变色性能作为研究课题。

本文采用采用溶胶凝胶法制备V₂O₅干凝胶薄膜。使用双氧水分散法制备V₂O₅溶胶，选取光学性能优良的ITO玻璃作为透明基板，采用电化学沉积的方法制备了V₂O₅薄膜。并利用电化学工作站在偏压下于钠离子电解液中进行电致变色过程，观察薄膜的电致变色现象并测试其相关性能。测试中V₂O₅薄膜体现出优秀的电荷容量保持率，良好的稳定性和光学调制率，说明针对V₂O₅在钠离子电解液下的电致变色发展是可行的。

关键词：五氧化二钒；电致变色性能；钠离子电解液；溶胶凝胶法

Abstract

V₂O₅ has a highly orthogonal layered structure, which allows a large number of ions to be stored in the material. At the same time, the color of the film varies with the electrochemical reaction, and it has a good optical modulation rate within the wavelength of visible light. It is found that V₂O₅ has double electrochromic properties and good stability, and a few oxygen vacancy defects in its structure can be found to greatly enhance the electrochemical performance of the material. These advantages make V₂O₅ become one of the popular research subjects of electrochromic materials.

Nowadays, the studies of the electrochromic process of V₂O₅ use lithium-ion electrolyte more. However, because of the low content of lithium in the earth's crust and the development of lithium-ion battery research and market, the market of lithium-ion is in short supply, which makes us need to find a new kind of ion to study the electrochromic properties of V₂O₅. Sodium, which is in the same race with lithium, has similar structural properties with lithium, and sodium element has amazing reserves in the earth's crust and in the ocean, which makes the research of sodium ion electrolyte have a broad prospect. Nowadays, there are many researches on sodium ion electrolyte, especially on its electrochemical properties, but there are few researches on electrochromic properties. Therefore, the electrochromic properties of V₂O₅ in sodium based electrolyte were selected as the research topic.

In this paper, V₂O₅ xerogel thin films were prepared by sol-gel method. V₂O₅ sol was prepared by hydrogen peroxide dispersion method. ITO glass with excellent optical properties was selected as transparent substrate. V₂O₅ thin film was prepared by electrochemical deposition. The electrochromic process was carried out in sodium-ion electrolyte by electrochemical workstation under bias voltage. The electrochromic phenomenon of the film was observed and its related properties were tested. V₂O₅ thin film shows excellent charge capacity retention rate, good stability and optical modulation rate. Results shows that the development of electrochromism of V₂O₅ in sodium-ion electrolyte is feasible.

Key Words： Vanadium pentoxide; electrochromic properties; Sodium ion electrolyte; Sol-gel method

目录

第1章 绪论 7

1.1 前言 7

1.2电致变色材料的性质及发展进程 8

1.2.1电致变色材料的历史 8

1.2.2电致变色材料的分类 8

1.2.3电致变色器件 9

1.3 五氧化二钒的性质 11

1.3.1五氧化二钒的结构 11

1.3.2五氧化二钒的能带结构 12

1.3.3 五氧化二钒的相关性质 13

1.3.4 五氧化二钒的发展 13

1.4 选题与社会、健康、安全、成本、环境等因素的关联 13

第二章 五氧化二钒薄膜电极的制备与测试 14

2.1 实验药品及实验仪器 14

2.1.1 实验药品 14

2.1.2 实验仪器 14

2.2 溶胶的制备 15

2.3 薄膜的制备 15

2.4 测试表征方法 16

2.4.1 物相结构分析 16

2.4.2 电化学性能分析 17

2.4.3 光学性能分析 18

第三章 五氧化二钒薄膜结构分析 19

3.1 X射线衍射图谱分析 19

3.2 扫描电镜图谱分析 20

3.3 TG-DSC曲线分析 20

3.4 拉曼光谱分析 21

3.5 本章小结 22

第四章 五氧化二钒薄膜的电致变色性能分析 23

4.1 循环伏安曲线分析 23

4.2 电荷容量及可逆性变化曲线分析 24

4.3 计时电流曲线分析 25

4.4 五氧化二钒薄膜光学性能的分析 26

4.5 本章小结 26

第五章 结论 28

参考文献 29

致 谢 31

绪论

1.1 前言

电致变色是指材料在受到外加电场的影响下，其光学属性可发生改变，（如光学反射率、透过率、吸收率等）从而导致材料的颜色、透明度相关属性发生可逆的变化。如今逐渐发展的电致变色窗即利用电致变色材料制作的五层结构的器件，正被用于制作各种建筑外墙，以减少室内的能源消耗；这也意味着建筑材料逐渐向着绿色健康环保方向发展。电致变色的机理本质为电化学氧化还原反应，使得电致变色材料结构中发生离子的嵌入和脱出，导致材料价态和结构的改变，从而影响其光学特性。将两种不同的电致变色薄膜相互结合可以调节其光学特性。而关于电致变色机理的研究，自然少不了对电致变色过程中使用电解液的探索。因此，离子电解液成为了电致变色研究中的一个重要且热门的课题。

如今参考各大文献，多数以锂盐作为电解液进行研究，例如在如今的电极储能方面的研究中，往往研究电极材料在锂基电解液中的比容量和循环性能。在电致变色性能的研究时，也往往采用锂离子电解液做测试。而利用钠离子电解液进行的研究，特别是电致变色方面的研究却是少之又少。但随着锂离子电解液的不断研究，这个方向的探索似乎也已经到达了瓶颈。人们在锂、钠离子电池的对比研究中发现，材料于钠离子基电解液中在某些方向上有着比锂更加优异的性能^[1]；其次由于锂离子电池市场的大量拓宽，地壳中锂元素的储量快速消耗，锂产品逐渐供不应求，而作为同族元素钠在地壳、海洋中储备丰富，开发较少，潜能巨大。且锂离子电解液常由于安全问题被人诟病。综合上述几点，探究钠离子电解液在电致变色材料中的研究具有十分开阔的前景。

如今研究比较透彻的电致变色材料多指无机电致变色材料，往往分为两种：阴极变色材料（W、Mo等氧化物）和阳极变色材料（Ni、Ir等氧化物）^[2]。由于钒丰富的含量、稳定的化学结构以及众多的氧化物，其拥有着极佳的发展前景^[1]。而在其众多的氧化物中，五氧化二钒（V₂O₅）为其中较为稳定的钒氧化物。由于其由弱范德华力连接的高度分层结构，且具有着双电致变色效应，使得其在电致变色的一些领域成为了重点研究对象。并且相关研究发现钠离子的可逆插入对五氧化二钒的材料结构没有严重的破坏^[3]，因此在钠离子电解液中对V₂O₅薄膜电致变色过程的研究成为了可以探索的方向。

1.2电致变色材料的性质及发展进程

1.2.1电致变色材料的历史

首先在电致变色方向上投入研究的可以追溯到20世纪60年代的美国氰胺公司，他们针对WO₃材料进行了结构性能及其薄膜性质的探究，并发表了相关文章。但在此之后，由于液晶显示器的出现，电致变色的发展受到了市场的阻滞停滞不前。一直到20世纪80年代，智能窗概念的提出让电致变色材料的关注与研究热情空前高涨，推动了电致变色技术在建筑方面的发展。到了21世纪，建筑能源损耗方面的问题让人们意识到了，需要将日常照射入室内的辐射能合理利用和储存，电致变色材料的市场迅速扩大，相关研究也日益火热起来。除智能窗之外，电致变色还陆续被开发应用于后视镜、显示器、红外伪装、眼镜等等。

1.2.2电致变色材料的分类

电致变色材料的特征是在外界电压驱动下，其光学性能具有可逆和持续稳固地改变^[4]。电致变色材料主要分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。

（1）无机电致变色材料

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