Applied Sciences | 看腻了TiO2催化？来看看这只会通电的变色龙！

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新闻快讯

2020年六月科睿唯安发行的期刊引证报告中，Applied Sciences的影响因子上涨12%，至2.474。在引证报告JCR中，Applied Sciences新增了一个学科领域“多学科工程”(Engineering, Multidisciplinary)排名32/91，JCR分区为二区。同时期刊在JCR另外三个领域的排名及分区为：

• “多学科化学” (Chemistry, Multidisciplinary) 88/177——二区

• “应用物理” (Physics, Applied) 62/154——二区

• “多学科材料” (Materials Science, Multidisciplinary) 161/314——三区

二氧化钛(TiO₂)，因其兼具独特的禁带宽度、优良的化学稳定性、良好的亲水性及低廉的成本等特性，数十年来已经成为研究最为广泛的光催化纳米材料之一。另外，二氧化钛(TiO₂)的电致变色的独特电化学活性，同样值得人关注。

什么是电致变色？

电致变色是一种独特的电化学现象，是指在通电状态下，一些材料表面能够发生可逆的氧化还原反应，从而导致自身的光学性质发生改变，展现出可变可控的透射及反射行为。根据这一原理设计的电致变色元器件，被广泛应用在电子屏幕、显示器、智能窗户及智能镜子等应用场景中。

近年来，其商业需求呈级数增长，市场对其性能也提出了越来越高的要求，对此，来自葡萄牙里斯本大学的Daniela Nunes教授团队开发了一种新型TiO₂纳米薄膜电致变色元器件。该元件以纸为基础材料，将其镀金后在表面促使生长TiO₂纳米薄膜，实现了可循环1500余次的电致变色效果，并将其研究成果于近期发表在了Applied Sciences期刊上。

实验部分

01 实验过程

制备步骤如Figure 1所示，首先选取纤维素定量滤纸为基材，通过电子束蒸镀，在其表面镀上一层厚约140 nm的金导电涂层。将其裁切后，对短边边缘进行遮盖，以保留导电部位，随后将其整体浸没在含Ti的前驱体溶液中，在微波及水热条件下进行TiO₂纳米薄膜的生长。

前驱体溶液为异丙醇钛溶液，分别探究了盐酸、硝酸及醋酸的加入对材料性能的影响。在较低温度(80 °C)下进行微波辐照2 min后，将溶液及纸片转入密封容器内，进行水热处理，最终获得具有纸-金-TiO₂三层结构的纳米薄膜电致变色元器件。

02 结果讨论

SEM(Figure 2)结果表明，镀金后的纤维素滤纸，表面较为平滑，没有多孔结构。当采用硝酸处理并生成TiO₂纳米薄膜后，镀金纸表面出现密集分布的小颗粒，平均粒径在30 nm左右，堆积得到厚度约为350 nm的疏松多孔的薄膜层。

相比而言，使用盐酸和醋酸处理可以获得更小的粒径分布(10 nm)，但盐酸获得的薄膜层相对致密，平均厚度在200 nm左右，而醋酸的薄膜层虽然更厚(300–500 nm)，但厚度不均一。不同的酸可以获得不同的微观形貌，主要是由于对微波响应时所产生的压力不一，从而达到不同的反应温度，进而影响成核和结晶速率。相同的是，三种材料均具有均匀的钛、金及碳、氧元素分布(Figure 3)。

样品的X射线衍射图(Figure 4a)中，可以明显观察到来自纤维素滤纸的特征衍射峰，但由于TiO₂含量过低，没有观测到明显的TiO₂结晶衍射峰。而拉曼光谱(Figure 4b)则弥补了这一不足，精确地鉴定出了TiO₂晶相的存在。

在含有Li⁺的液体电解质中，对合成的纸片进行低压通电(± 5 V)，可以实现TiO₂薄膜层的着色/脱色转变(Figure 5)，最高循环次数高达1500余次。在负电压作用下，Li⁺在TiO₂层间发生嵌入作用，TiO₂纳米薄膜变为着色态，呈现深绿色。施加正电压后，Li⁺发生脱嵌，TiO₂薄膜由深绿色变为无色透明的脱色态，纸片呈现出镀金层的金黄色。经不同种类的酸处理得到的镀金纸，由于TiO₂纳米薄膜的厚度及多孔结构不同，展现出不同的电致变色性能。

其中，经硝酸处理得到的薄膜最为疏松多孔，进而有利于液体电解质的渗透及Li⁺的扩散，因而展现出最佳电致变色性能，在250, 550和800 nm波长的光照下分别获得57%, 9%和22%的反射率，并且经过1500余次通电循环后，依然具有良好的电致变色性能，其循环伏安曲线(Figure 6)也较盐酸、醋酸更为稳定。

将纸片在Li⁺电解液中周期性地进行正负电压转换，可对其着色和脱色速率进行测定。结果显示(Figure 7)，其着色及脱色达到90%所需的时间分别为71 s和58 s，远低于同类器件水平。

综上所述，本文章亮点在于，以来源丰富、成本低廉、环境友好的纸材料为基础，构建电致变色元器件，使其具有灵活多变、多元化的潜在应用场景。虽然使用贵金属元素金作为导电介质层，但因其制备成本较低，且通过微波辅助水热的方法，使其制备流程简单可靠，材料性能更可调。因此，制备所得材料具有快速电化学响应能力，能够在低压下稳定地实现着色脱色循环，使其在传感器等领域具备独特的应用潜力。

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原文出自Applied Sciences期刊。

Nunes, D.; Freire, T.; Barranger, A.; Vieira, J.; Matias, M.; Pereira, S.; Pimentel, A.; Cordeiro, N.J.A.; Fortunato, E.; Martins, R. TiO2 Nanostructured Films for Electrochromic Paper Based-Devices. Appl. Sci. 2020, 10, 1200.

Applied Sciences(ISSN 2076-3417，IF 2.474)作为开放获取型国际期刊，主要发表应用自然科学研究领域相关的论文。期刊包括光学和激光、纳米技术和应用纳米科学、能源、材料、化学、机械工程、应用生物科学和生物工程、环境和可持续发展的科学技术和计算与人工智能等22个部门。Applied Sciences采取单盲同行评审，一审平均周期约为15.9天，文章从投稿到发表平均仅需35天。

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*翻译作者：Tamia Qing

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