电致变色技术具有许多吸引人的特性（如低功耗、双稳态特性、易于制造等）。并在非主动发光电致变色显示器、便携式电子设备、和电致变色智能窗等方面显示出了巨大的应用潜力。然而单一电致变色材料的有限的颜色范围限制了电致变色显示器的广泛应用，虽然利用色彩叠加效果的锌阳极电致变色平台进一步拓宽了电致变色显示器的调色范围，但制备出的钒酸钠(NaV3O8·1.5H2O, SVO)电致变色材料仍面临“死锌”残留，水溶液中易溶解等影响长期稳定性的问题。
本文亮点
1.设计了TEGDME-水混合电解质，该混合电解质能够在钒酸盐电极表面形成坚固的阴极电解质界面层从而抑制钒酸盐的溶解。
2.利用钾离子掺杂氧化钒，制备出了具有更大层间距的层状钒酸钾（K2V6O16·1.5H2O，KVO）电致变色材料，解决了电致变色过程中的“死锌”残留问题。
3.得益于更大的层间距，KVO电极表现出比SVO电极更加优异的电致变色性能，并且利用TEGDME-水混合电解质和KVO材料制备的锌阳极基透明电致变色显示器模型具备出色的能量回收功能以及由颜色叠加效应实现的多彩显示。
文章简介
钒酸盐因其丰富的着色范围而被广泛应用于电致变色领域。然而，由于其在水溶液中的溶解问题，导致长期的循环稳定性差，从而限制了它的实际应用。鉴于此，山东大学李海增教授团队联合阿尔伯塔大学Abdulhakem Y. Elezzabi教授提出了一种利用四乙二醇二甲醚(TEGDME)和水组成的混合电解质来解决钒酸盐溶解问题的方法。这种电解质具有在钒酸盐电极上形成坚固阴极电解质界面层的独特能力。而制备出的层状钒酸钾（K2V6O16·1.5H2O，KVO）具有更大层间距的KVO也表现出比钒酸钠(NaV3O8·1.5H2O, SVO)更好的电致变色性能。鉴于这种混合电解质和KVO阴极材料的优越性，一个基于锌阳极的电致变色显示器模型表现出了出色的性能。因此，这项工作有望成为加速钒酸盐基电致变色显示器发展的重要催化剂。第一作者为Bin Wang。
图文导读
如图1a所示，KVO粉末衍射峰表明它是一类单斜相的K2V6O16 1.5H2O材料。如图1b所示，KVO的晶体结构中含有嵌入在V3O8层中的水合钾离子，在电致变色过程中起到了稳定结构的作用。同时由于K+的离子半径比Na+大，KVO纳米棒表现出比SVO纳米棒更宽的V3O8层间间距。
图1. KVO纳米棒的表征 a) KVO纳米棒的XRD图像；b) KVO的晶体结构示意图；c) 低倍率和d) KVO纳米棒的高倍率扫描电镜图像；e) 单个KVO纳米棒的透射电镜图像（插图：KVO纳米棒的高分辨率透射电镜图像所表征的晶格平面（比例尺：2 nm））；f-i) 单个KVO纳米棒的暗场透射电镜图像和相应的K、O和V的元素分布图像。
2.为了证明混合电解质对KVO电极的溶解抑制作用，我们对KVO电极做了相应的浸泡实验。如图2a所示，混合电解质中的KVO电极在28天后的透光率没有明显的衰减或任何其他明显的变化。相比之下，KVO电极逐渐溶解到了纯水电解质中，明显提高了电极的透射率（图2b）。
图2. 抑制KVO电极溶解的有机-水混合电解质 a，b) 浸入混合电解质(a)和水系电解质(b)中的KVO电极在不同老化时间的光学透射光谱和数码照片；c) 混合电解质中相应的Zn2+溶剂化结构以及CEI膜的示意图。该原理图是根据参考文献中的信息绘制的。
3.利用如图3a所示的电致变色装置，我们探讨了KVO电极的电致变色性能。其在0.2-2.0V的电压范围内实现了三种颜色表达（图3c），而且切换时间（着色12.9s，漂白16.9s）以及循环稳定性也要优于SVO电极。同时XPS测试结果表明，KVO更大的层间距实现了氧化过程中几乎所有锌离子的脱出，消除了“死锌”的存在。
图3. KVO电极的电致变色性能 a) Zn-KVO电致变色装置的示意图；b) KVO电极在0.2-2.0 V电压范围内以50 mV/s扫速的循环伏安图；c) 在不同施加电压下KVO电极的透射光谱，插图：KVO电极对应的数码照片；d) KVO电极的原位自着色过程（自发的颜色从橙色切换到绿色）；e) KVO电极在0.2-2.0 V电化学窗口下在521 nm波段的原位透过率测试；f）动态测试的选定周期（（e）中的深绿色区域）内KVO电极的往返能量密度比较；g) KVO电极在退火、充电和放电状态下 Zn 2p的原位XPS测量光谱；h) 在150 mV/s扫速的条件下，在0.2-2.0V之间进行了超过1000次循环的KVO电极的循环伏安法（CV）测量；i) KVO电极1000次 CV循环后的可见近红外透射光谱。
4.为了验证Zn-KVO电致变色平台的适用性，我们组装了一个5 cm×5 cm的透明多色电致变色显示器，如图4a所示。图4b显示了KVO-Zn-KVO显示器在六种色态（即橙色、琥珀色、黄色、棕色、黄绿色和绿色）下的透光率的变化。该电致变色显示器同样具有1.25V的开路电压，能够通过“焦耳小偷电路”点亮0.2V的LED灯泡1小时（图4d）。通过色彩叠加效果透明电致变色显示器实现了六种颜色的色彩表达（图4e）。
图4. Zn-KVO电致变色显示器模型的电致变色性能 a) KVO-Zn-KVO电致变色显示结构示意图；b) KVO-Zn-KVO电致变色显示器在不同电压下的光学透射率光谱；c)橙色KVO-Zn-KVO电致变色显示器的数码照片，开路电压为1.25 V；d)由KVO-Zn-KVO电致变色显示器供电的0.2 V调节电压的LED分别在1分钟和60分钟的数字照片，显示器与LED通过“焦耳小偷电路”连接；e) KVO-Zn-KVO电致变色显示器通过色彩叠加效果显示六种颜色的数码照片，肉眼可以看到显示器下面的卡通图案；f) KVO-Zn-KVO电致变色显示器在0.2-2.0 V电化学窗口内在521 nm波段处的原位透过率测试；g) 2.0 V恒压充电过程中521 nm波长的透射率(蓝实线)和0.35 mA cm-2电流密度的恒流放电过程的透过率(蓝虚线)。红线为对应的恒流放电曲线，插图为KVO-Zn-KVO显示器点亮的LED (0.2 V调节)。
通信作者简介
李海增，山东大学前沿交叉科学青岛研究院和能源与动力工程学院双聘教授、博士生导师，SID显示未来之星青年领袖，青年泰山学者，首届山东省海外优青项目获得者，获得Wiley中国开放科学2022年度作者奖，任国产期刊Nano-Micro Letters (IF: 26.6)、Energy & Environmental Materials (IF: 15)、Materials Research Letters (IF:8.3)、Advanced Powder Materials (预计首个IF>10)、Frontiers of Physics (教育部主管、高等教育出版社主办期刊, IF:7.5)青年编委。近五年，以一作或通讯作者在Joule、Advanced Materials (2篇)、Light: Science & Applications、Materials Today、Advanced Functional Materials(2篇)、Advanced Energy Materials、Advanced Optical Materials、Nano-Micro Letters、Nano Energy、Nanophotonics、Nanoscale Horizons等主流杂志发表电致变色相关学术论文20余篇，多篇当选ESI热点论文和高被引论文。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202300046
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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