【引言】

由于鈉元素資源相對豐富且成本低廉，基于鈉離子(Na⁺)的電化學(xué)體系在能源存儲領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。也正是基于鈉離子的多方面優(yōu)勢，研究人員也希望將鈉離子應(yīng)用到同樣基于氧化還原反應(yīng)的電致變色器件中去。顧名思義，電致變色是指材料光學(xué)屬性在外加電場的作用下發(fā)生可逆的變化的現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能窗、汽車后視鏡、智能顯示等領(lǐng)域。但是由于Na⁺離子半徑明顯大于通用的Li⁺離子，導(dǎo)致其在傳統(tǒng)電致變色電極如氧化鎢中傳輸變得緩慢，從而極大地降低了電致變色材料的性能和循環(huán)壽命，限制了鈉離子電化學(xué)體系在電致變色領(lǐng)域的應(yīng)用。

【成果簡介】

近日，東華大學(xué)王宏志研究團隊與美國佐治亞理工王剛博士(現(xiàn)美國西北大學(xué)博士后)合作，將含有變色基團的有機配體組裝成MOF電極，利用該類MOF結(jié)構(gòu)中具有較大尺寸的一維離子通道，實現(xiàn)了鈉離子的快速脫嵌，從而使得電致變色電極在Na⁺有機電解液中達到了極高的變色速度和變色效率。相關(guān)成果以題為“Ion-Transport Design for High-Performance Na⁺-Based Electrochromics”發(fā)表在ACS Nano上。文章的共同第一作者為東華大學(xué)李然博士生和李克睿博士(現(xiàn)新加坡國立大學(xué)博士后)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一. 兩種MOF的結(jié)構(gòu)分析。

(a, b, c, d)兩種MOF的SEM圖像；

(e)兩種MOF的XRD圖；

(f, g)兩種MOF的晶體結(jié)構(gòu)示意圖；

(h)兩種MOF的N₂等溫吸脫附曲線；

圖二. MOF電極在不同電解液中電化學(xué)性能和離子傳輸示意圖。

(a)MOF電極在不同電解液中的電化學(xué)阻抗圖；

(b)MOF電極在Na⁺電解液中的循環(huán)伏安曲線；

(c)不同離子在MOF電極中的離子傳輸效率；

(d) MOF電極在不同電解液中離子傳輸機制圖；

圖3. MOF電極在不同電解液中的電致變色性能。

(a)MOF電極在Na⁺電解液中不同電壓下的紫外吸收譜圖；

(b)MOF電極在不同電壓下的顏色示意圖；

(c)MOF電極在不同離子電解液中的變色速率；

(d)兩種MOF電極在Na⁺電解液中的變色速率；

(e)兩種MOF電極在不同離子電解液中的變色效率；

(f)兩種MOF電極在Na⁺電解液中的循環(huán)穩(wěn)定性；

圖4. 基與MOF電極的多彩電致變色器件和應(yīng)用于共享單車的智能二維碼。

 (a) MOF電極激光刻蝕制備流程圖；

(b)基于刻蝕MOF電極的多色電致變色器件；

(c)基于MOF電極中智能二維碼器件；

(d)可隱藏智能二維碼器件應(yīng)用于共享單車。

【小結(jié)】

研究團隊通過將兩種含有不同尺寸一維孔道(10 ? vs 33 ?)的MOF電極分別在Al³⁺、Li⁺、Na⁺和TBA⁺基電解液中進行測試，發(fā)現(xiàn)對于兩種電極，既不是離子半徑最小的Al³⁺離子也不是半徑最大的TBA⁺傳輸最為迅速。盡管Na⁺離子半徑要大于Li⁺離子和Al³⁺離子，卻有著最高的離子傳輸效率。研究團隊認為同時有兩個重要的因素影響著離子傳輸：離子與傳輸路徑間的空間位阻和離子與MOF框架上負電基團的靜電相互作用。正是由于MOFs獨特的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其對不同離子脫嵌具有選擇性?；谠擃惥哂须x子傳輸選擇性的MOF材料，研究團隊制備了快速變色，且具有高光調(diào)制范圍與變色效率和良好的穩(wěn)定性的鈉離子電致變色電極。在此基礎(chǔ)上，通過無模板的激光雕刻法刻蝕變色層和電極，成功制備了多彩電致變色顯示器件與應(yīng)用于共享單車的可隱藏智能二維碼器件，證明了其在廉價電致變色和物聯(lián)網(wǎng)電子器件鄰域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

文獻連接：Ion-Transport Design for High-Performance Na⁺-Based Electrochromics (ACS Nano, 2018, DOI:10.1021/acsnano.8b00974)