材料科普：柔性电致变色器件中的纳米电极材料

来源：今日新材料

对于电致变色器件，理想的电极材料不仅需要高导电率，而且需要极好的透光性和抗化学以及电化学腐蚀的能力。电致变色器件中常用的电极材料是ITO薄膜。如何克服其脆性和提升导电性以及柔性是这一领域的技术瓶颈。而且，由于铟是一种世界范围内的非常稀缺和贵重的元素，找到另一种导电材料来替代传统的ITO薄膜是研究的热点。

在研究的过程中，纳米导电材料扮演着重要的角色。这些纳米导电材料用于电致变色器件不仅能提升电致变色性能，还可以促进下一代多功能和可穿戴器件的发展。下面主要介绍常用的电致变色器件中的纳米导电材料，包括银纳米线，碳纳米管，石墨烯，纳米掺杂的金属氧化物和混合导电纳米材料。

1. 银纳米线

银纳米线是指直径为纳米级、长度微米级的1D的银纳米结构。银纳米线薄膜具有与商业化ITO薄膜类似甚至更好的导电性和透光率，这是由于其内在的高导电性，多孔结构和更大的比表面积。随着柔性电子器件技术的快速发展。2014年，Lee首次使用银纳米线电极组装了氧化钨的可拉伸可穿戴电致变色器件，该器件可以可逆的拉伸和弯曲。他们将银纳米线网络固定在PDMS弹性基底上来制备可拉伸电极。在拉伸50%的情况下，仍然可以保持颜色变化的能力。

2. 碳纳米管

碳纳米管作为1D空心材料，其管子的两端是被封装的。它们的径向尺寸通常被认为是纳米级，轴向尺寸被认为是微米级。特别的是，它本身的高导电性，杰出的稳定性和柔性，以及容易和低成本制造，让其成为下一代电子的电极材料的潜在候选人。当碳纳米管作为电致变色器件的电极时，它可以用作敏感传感单元和柔性可拉伸电子器件中，促进了柔性多功能电致变色器件的进一步发展。另外，由于碳纳米管的部分功能化结构，它们也可以用作电极和电致变色材料，这有利于简化电致变色器件的结构和降低制造成本。

碳纳米管作为电极有着许多有趣的结果。Bao等人通过将可拉伸电致变色器件与触觉传感结合在一起展示了一种仿变色龙的可拉伸电子皮肤。具有金字塔结构的单壁碳纳米管层也可以作为触觉传感器来实现智能电子皮肤。这种器件可以穿戴在人体上，并且在不同的拉伸下可以呈现深红色，蓝灰色和浅蓝色。这就证明触觉信息可以直接通过智能电子皮肤的颜色变化来读出。

3. 石墨烯

石墨烯受到广泛地关注是其在2004年首次通过机械剥离的方法制备。它独特的蜂巢状单层碳原子2D结构赋予了高电子迁移率，超强的机械性能，良好的化学热稳定性，以及独特的导电性和透光性等。因此，它可以应用于各种电子器件中，尤其是可以作为透明电极来代替传统的ITO电极。

在2009年，Shi等人首次制备了基于透明石墨烯电极的聚苯胺电致变色器件。聚苯胺附着在石墨烯电极上相比于附着在ITO电极上在酸性电解质中展示出更好的转变稳定性。这种现象说明石墨烯具有更好的结构稳定性，而ITO薄膜在酸性电解质中会逐渐溶解。除了提升稳定性，石墨烯也被认为是一种柔性可折叠的电极。

4. 掺杂金属氧化物

掺杂金属氧化物是目前商业化透明电极的主流材料。ITO，FTO，AZO和ATO薄膜通常被用作透明导电材料。最近，随着纳米科学技术的进步，一系列的纳米导电氧化物材料被制备，并且表现出柔性，大的比表面积等良好性能。但是，由于不可避免地表面电阻，它们的整体电阻显著升高。这是由于它们的晶体结构的取向和规整性以及堆积的紧密性。幸运的是，可以通过物理的方法来解决这一问题。主要是将其沉积在2D平面电极上来形成更好的3D电极。相比于传统的2D电极，这种新型电极有利于表现出更好的电致变色性能。

5. 混合导电材料

混合导电材料通常包含两种或者两种以上的导电成分和至少一种纳米结构材料。总体来说，混合是一种有效途径来组合多种导电材料，可以克服每一种材料的缺点，保持其优点。正如上面所提到的，在过去几十年里，一些导电材料被研究用来替代ITO，包括导电聚合物如PEDOT：PSS，金属纳米材料如金属纳米线和金属网格，以及碳纳米材料如碳纳米管和石墨烯，它们都具备不同的性能。

参考文献：

G. Yang, Y.M. Zhang, Y. Cai, et al. Advances in nanomaterials for electrochromic devices. Chem. Soc. Rev.,2020. DOI:10.1039/D0CS00317D

原文链接：

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