论文总字数：18598字

摘 要

H₂V₃O₈是具有特殊形貌的钒氧化物纳米材料之一，据文献报道，被石墨烯纳米片包裹的H₂V₃O₈纳米线可作为水系锌离子电池正极材料，这种复合材料具有优越的锌离子存储性能。考虑到H₂V₃O₈还是一种具有潜力的电致变色材料，欲研究其在水系电解液下的电致变色性能。

本论文采用水热法制备H₂V₃O₈/rGO纳米材料，将其制成薄膜，设置溶胶-凝胶法制备的V₂O₅薄膜为对照。利用XRD、SEM、TEM、XPS和CV等测试方法，对比了H₂V₃O₈/rGO薄膜和V₂O₅薄膜的结构和性能，得到了如下结论：

H₂V₃O₈/rGO纳米材料与H₂V₃O₈的层间结构相同。V₂O₅薄膜在ZnSO₄水溶液中存在由黄色变为绿色的变色行为，但在第一圈CV循环后，虽然CV曲线表面显示出其存在可逆的氧化还原反应，但未表现出可逆的颜色改变。考虑到V₂O₅薄膜经过循环后黄色变绿色，而H₂V₃O₈薄膜本身已经是绿色，参考V₂O₅薄膜的情况，预计H₂V₃O₈在水系Zn² 电解液中也难有明显的变色效果，且变色不可逆。

关键词：H₂V₃O₈；五氧化二钒；电解液；电致变色

Abstract

H₂V₃O₈ is one of the vanadium oxide nanomaterials with specific morphology. It is reported that H₂V₃O₈ nanowires coated with graphene nanosheets can be used as anode materials for aqueous zinc ion batteries. This composite material has superior zinc ion storage performance. Considering that H₂V₃O₈ is also a potential electrochromic material, I want to investigate its electrochromic properties in aqueous electrolyte.

This paper deals with the preparation of nanomaterials by hydrothermal method and then makes them into thin films. The film prepared by sol-gel method was set for comparison. By means of the tese methods like XRD、SEM、TEM、XPS and CV , the structure and properties of the H₂V₃O₈/rGO film and the V₂O₅ film were compared, and the following conclusions were obtained:

The interlayer structure between H₂V₃O₈/rGO nanomaterial and H₂V₃O₈ are same. The color change of vanadium pentoxide film from yellow to green was observed in zinc sulfate solution. However, after the first CV cycle, although reversible redox reaction was observed on the image of CV curve, no reversible color change was watched. Considering that the vanadium pentoxide film turns yellow to green after recycling, while the H₂V₃O₈ film itself is already green. According to the situation of vanadium pentoxide film, it is expected that it is difficult for H₂V₃O₈ to have obvious discoloration effect in the zinc ion electrolyte, and the discoloration is irreversible.

Keywords: H₂V₃O₈; vanadium pentoxide; electrolyte; electrochromic

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2电致变色器件结构与变色原理 1

1.2.1电致变色器件结构 1

1.2.2无机电致变色材料的变色原理 2

1.2.3有机电致变色材料的变色原理 3

1.3电致变色器件中的电解质材料 3

1.3.1液态电解质 3

1.3.2无机固态电解质 4

1.3.3聚合物电解质 4

1.4电致变色器件的应用 4

1.4.1电致变色智能窗 4

1.4.2电致变色显示器 5

1.5本论文研究工作概述 6

1.5.1本论文研究体系的提出 6

1.5.2本论文研究内容概述 6

第2章 H₂V₃O₈/rGO薄膜和V₂O₅薄膜的制备与表征 7

2.1实验药品与实验仪器 7

2.1.1实验药品 7

2.1.2实验仪器 7

2.2H₂V₃O₈/rGO纳米材料和V₂O₅溶胶的制备 8

2.2.1H₂V₃O₈/rGO纳米材料的制备 8

2.2.2V₂O₅溶胶的制备 9

2.3薄膜的制备 9

2.3.1基片预处理 10

2.3.2制备H₂V₃O₈/rGO薄膜 10

2.3.3制备V₂O₅薄膜 10

2.4薄膜结构和性能表征方法 10

2.4.1结构表征 10

2.4.2电化学性能测试 11

2.4.3电致变色性能测试 12

第3章 H₂V₃O₈/rGO薄膜和V₂O₅薄膜结构分析 13

3.1物相结构分析 13

3.2表面形貌分析 13

3.2.1V₂O₅薄膜SEM分析 13

3.2.2H₂V₃O₈/rGO薄膜TEM分析 14

3.3拉曼光谱分析 14

3.4光电子能谱分析 15

第4章 H₂V₃O₈/rGO薄膜和V₂O₅薄膜性能研究 16

4.1电化学性能研究 16

4.2光学性能研究 16

第5章 结论 17

参考文献 18

致谢 20

附录1 21

附录2 22

第1章 绪论

1.1研究背景

随着人类社会文明不断地向更高级的方向发展，资源枯竭与环境污染的问题日益突出，追求高速发展与节约能源保护环境之间的矛盾也越发尖锐。近年来，太阳能、氢能等可再生清洁能源的利用开始迅速发展起来，对储能装置的使用的范围要求也越来越大，锂离子电池是其中的较好选择。在能量密度、安全和成本方面，传统LiCoO₂电极难以达到这些日渐增长的需求，而自2006年H₂V₃O₈被报道可作为一种有前景的电极材料^[1]。棒状、带状H₂V₃O₈纳米材料在充放电测试中表现出的良好的可逆氧化还原性和锂离子嵌入-脱出性吸引了学者们更广泛的研究兴趣^[2-5]。电极材料的电子电导率是影响其循环寿命和比容量的重要因素，将石墨烯引入体系，制成H₂V₃O₈/rGO复合材料能提高这一参数^[1]。不仅是在水系锂电中，H₂V₃O₈纳米材料作为高容量电极在水系锌电和镁电中的应用也有研究^[6,7]。

节能环保的绿色材料也逐渐进入大众视野并呈蓬勃生长的态势。以电致变色现象为基础的智能窗等设备以低能耗、低工作电压、无辐射等一系列优势在建筑、汽车等领域实现了对某些窗产品更新换代的可能。H₂V₃O₈材料层间距较大，可在离子嵌入-脱出时起缓冲作用，与石墨烯复合后电子传导率较为理想，V⁵ /V⁴ 混合价态可提供更多氧化还原位点等特性显示出它作为一种电致变色材料的潜力。

H₂V₃O₈材料可使用水热法制备，流程简单、条件易得，且原料V₂O₅储量丰富，价格低廉，在应用成本方面问题不大。目前以H₂V₃O₈材料为核心的电致变色器件在可逆性、循环稳定性等方面还有许多问题亟待解决，随着电致变色技术的不断发展，可以期望将来此类产品的面世。若能将此材料应用在建筑玻璃、幕墙玻璃上，不仅室内使用者可体验到更加舒适的环境温度，减少光污染，对节省制冷耗能费用等也有重大意义。

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