东华大学/BU/MIT Nat. Commun.：基于二维TMO/MXene异质结构的高性能柔性电致变色器件- 大数跨境

首页

东华大学/BU/MIT Nat. Commun.：基于二维TMO/MXene异质结构的高性能柔性电致变色器件

科学材料站

2021-03-16

导读：本文在液-液界面组装了基于Ti3C2Tx和衍生TiO2纳米片的纳米级别厚度均匀薄膜，并转移到柔性基底上制备了TiO2/Ti3C2Tx异质结构电致变色电极。

文章信息

基于二维TMO/MXene异质结构的高性能柔性电致变色器件

通讯作者：Yuxuan Cosmi Lin*，王宏志*，Xi Ling*

单位：东华大学，波士顿大学，麻省理工学院

研究背景

电致变色材料在外加电场作用下与插层离子发生氧化还原反应，从而可逆地改变自身的光学性质，在智能窗、反射式显示、光学伪装等领域显示出巨大的应用前景。近年来，随着人们对电致变色材料在柔性电子器件中应用的兴趣不断增长，在保持高能效、快切换速度和长耐久性的同时，将柔性功能引入电致变色器件变得越来越重要。

然而，这是一个非常具有挑战性的问题。其主要原因是：（1）电致变色性能和机械性能与所选用的材料、微纳结构和组装方法密切相关。需要找到一种兼具高性能、高柔性变色层结构和体系；（2）需要协同优化透明导电电极和电致变色功能层的机械性能，以实现整体器件的柔性化。

文章简介

近日，来自东华大学的王宏志教授与波士顿大学Xi Ling教授，麻省理工学院Yuxuan Cosmi Lin和Tomás Palacios教授合作，在期刊Nature Communications上发表题为“Flexible and high-performance electrochromic devices enabled by self-assembled 2D TiO2/MXene heterostructures”的论文。

本文在液-液界面组装了基于Ti3C2Tx和衍生TiO2厚纳米片的纳米级别厚度均匀薄膜，并将其转移到柔性基底上制备了TiO2/Ti3C2Tx异质结构电致变色电极。与传统的TiO2基电致变色材料相比，该柔性电致变色电极具有更高的变色速度和着色效率。

此外，本文还进一步论证了大面积柔性器件的组装技术，该技术可以与任意曲面和柔性曲面集成，有望在柔性电子等领域得到应用。

图1. 柔性基底上组装TiO2/Ti3C2Tx异质结构电极的制备流程。

本文要点

要点一：Ti3C2Tx衍生高质量二维TiO2纳米片

本文通过Ti3C2Tx气凝胶的原位热转化，获得了高质量的二维TiO2纳米片。在转化过程中，相邻Ti原子之间的C原子被两个O原子取代。

在这个过程中，由于气-固反应相对平缓，钛原子的扩散受到限制。同时，Ti3C2Tx和TiO2晶体结构中Ti原子骨架的排列比较相似，最终Ti原子在转化过程中不需要经历剧烈的运动和大量的重排，因此在反应过程中保留了薄片的形貌。

图2. Ti3C2Tx薄片向2D TiO2薄片的转换。

要点二：液-液界面连续组装Ti3C2Tx透明导电层和2D TiO2电致变色层

本文采用液-液界面自组装（liquid/liquid interface self-assembly，LLIA）技术构建了柔性TiO2/Ti3C2Tx异质结构电极。自组装纳米片网络在两相液面之间形成取向结构，使单层膜的厚度接近单层纳米片的厚度。

同时，Ti3C2Tx/TiO2异质结构在两者之间形成金属-半导体结。与氧化铟锡等常用透明电极相比，Ti3C2Tx具有较低的功函数。当与TiO2接触时，Ti3C2Tx与TiO2之间的肖特基势垒远低于ITO与TiO2之间的肖特基势垒，甚至可以形成欧姆接触。因此，在异质结构中，Ti3C2Tx与TiO2层之间的电子传输有望得到极大的改善。

图3.自组装Ti3C2Tx薄片透明导电薄膜性能表征。

图4. TiO2/Ti3C2Tx异质结构电极的电致变色性能。

要点三：高机械稳定性和高变色性能并存

电致变色器件的整体柔韧性由最硬层决定。

本文在验证TiO2/Ti3C2Tx异质结构中透明电极和电致变色层的机械性能时，发现Ti3C2Tx/PET薄膜在0.3 cm的曲率半径下弯曲和释放1000个循环后的电阻仅增加了6%，而商用的ITO/PET薄膜即使在更大的曲率半径下(1.5 cm)进行1000次弯曲循环后，电阻却迅速增加了3个数量级。为了进一步证明LLIA-TiO2/Ti3C2Tx异质结构在实际应用中的潜力，作者研制了一种尺寸为30cm×20cm的大面积柔性电致变色器件。