纳米结构v_2o_5薄膜的制备及其电致变色和电容性能研究

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1、博士学位论文纳米结构V2O5薄膜的制备及其电致变色和电容性能研究PREPARATIONOFNANOSTRUCTUREDVANADIUMPENTOXIDEFILMANDITSELECTROCHROMICANDCAPACITIVEPROPERTIES童仲秋哈尔滨工业大学2015年9月国内图书分类号：TB34学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学博士学位论文纳米结构V2O5薄膜的制备及其电致变色和电容性能研究博士研究生：童仲秋导师：李垚教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2015年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde

2、x:TB34U.D.C:620DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringPREPARATIONOFNANOSTRUCTUREDVANADIUMPENTOXIDEFILMANDITSELECTROCHROMICANDCAPACITIVEPROPERTIESCandidate：TongZhongqiuSupervisor：Prof.LiYaoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：CentreforCompositeMat

3、erialsandStructuresDateofDefence：September,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要某些过渡族金属氧化物在电化学氧化还原过程中既可以表现出光学属性（透过率，反射率和吸收率等）稳定而可逆的变化（电致变色），也可以表现出能量快速的存储与释放（法拉第电容或赝电容）。由于该类材料具有稳定可逆的光学属性调节能力与较高的能量密度和功率密度，其在智能窗、低耗能显示器、防炫目镜、运输领域后备电源和微小型电子器件的替换电源等领域具有很好的应用前景。由于五氧化二钒是唯一一种同时具

4、有双极性电致变色特性的氧化物材料且在氧化还原过程中也可以表现出较高的赝电容性能，本论文以五氧化二钒为主要的电极材料研究对象，采用纳米化手段在透明导电基体（氧化铟锡玻璃，ITO玻璃）的表面生长纳米结构的氧化钒薄膜，获得具有良好电致变色性能和赝电容性能的薄膜电极。以单分散聚苯乙烯小球乳液为原料，采用垂直沉积法在ITO玻璃表面组装获得胶体晶体模板，模板具有大面积有序性。利用模板辅助电沉积技术，获得相组成中含有V2O51.6H2O晶核的三维有序大孔非晶氧化钒薄膜。由于增大的比表面积和缩短的锂离子扩散距离，三维有序大孔氧化钒薄膜比未采用模板辅助电沉积的氧化钒致密薄膜表现出提高的电致变色和赝电容性能

5、，且孔径越小，三维有序大孔氧化钒薄膜电致变色透过率调节值越高、变色响应时间越快，比电容越大。采用循环伏安法和电位阶跃计时安培法对锂离子在三维有序大孔氧化钒薄膜中的表观扩散系数进行表征。与氧化钒致密薄膜相比，三维有序大孔结构的引入极大地提高锂离子在氧化钒中的表观扩散系数，且孔径越小，锂离子表观扩散系数越高。与致密氧化钒薄膜相比，孔径为210nm的三维有序大孔结构氧化钒薄膜的锂离子表观扩散系数大约是前者的5倍。在热处理条件下，非晶态三维有序大孔结构氧化钒能发生形貌转变。孔径为250nm的非晶态三维有序大孔结构氧化钒在350℃条件下热处理4h后可以获得由非晶/晶态核壳结构V2O5纳米棒堆积而成的

6、3D纳米棒结构；在相同温度下热处理7h后获得由完全结晶的V2O5纳米棒堆积而成的3D纳米棒结构。聚苯乙烯小球在电沉积过程中诱导异相形核和正交V2O5晶体结构明显的各向异性是致使3DOM结构热处理条件下转变至3D纳米棒堆积结构的两个重要的因素。由于较高的比表面积、较短的离子扩散距离和良好的电解液润湿，这两种3D纳米棒堆积结构均表现处多颜色变化的电致变色性能。赝电容特性测试表明350℃条件下热处理4h获得3D纳米棒堆积结构具有最高的赝电容性能。进-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文一步提升热处理温度至450℃并保温4h后，非晶态三维有序大孔结构氧化钒转变为V2O5纳米线堆积而成的3D纳米线结构

7、。SEM和HRTEM测试表明：Ostwald熟化、OrientedAttachment方式和原子重排是热处理过程中小晶粒之间通过相互吞并而获得纳米线的主要生长机制。电化学测试表明3DV2O5纳米线结构不具有赝电容特性，但是该结构在1V的电压范围内具有良好的电致变色性能。采用恒电流电聚合的方法，在V2O5纳米线的表面原位包覆聚苯胺、聚吡咯和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）而形成V2O5/导电聚合物核壳纳米线结构。通过控制聚合时