光沉积法制备电致变色金属氧化物薄膜

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

电致变色玻璃（也被称为智能玻璃或动态玻璃）在外加电压的作用下可以显示可逆的颜色和透明度变化。这种玻璃可以动态地调控进入建筑物的太阳光及热量，为建筑物内的居住者提供舒适的温度和光亮度环境。更为重要的是，这种玻璃的应用可以大幅减少用于室内冷却、加热或照明系统的能量消耗。据估算，电致变色玻璃的应用可以为建筑节省约20%的能量成本。当前这项节能技术在工业界非常热门，美国两大智能玻璃公司View和SageGlass近几年已经募集了近10亿美元的风险投资来商业化他们的电致变色玻璃技术。但目前市场上的电致变色玻璃的售价还是太高，其每平方米价格大概在500-1000美元，远高于传统玻璃的价格（每平方米30-200美元）。如此高昂的价格成为了智能玻璃向建筑物市场大规模推广的瓶颈。

目前智能玻璃中最常用的电致变色材料是非晶过渡金属氧化物薄膜。在工业界这种氧化物薄膜通常用物理溅射的方法来沉积。由于其复杂的设备和严苛的真空条件，物理溅射法的成本非常高昂，这也是直接导致电致变色玻璃价格不菲的原因。因此，开发出一种低成本的制备电致变色薄膜的技术显得尤其的重要。

图1. 光沉积法制备非晶金属氧化物薄膜（a-MO_x）。

溶液处理法为降低镀膜成本提供了很好的机会，因为溶液法通常可以在常压下操作并且所需的设备也比较简单。英属哥伦比亚大学Curtis P. Berlinguette教授（点击查看介绍）研究团队最近发展了一种基于溶液的光沉积法用于制备非晶过渡金属氧化物薄膜。这种方法所制备的薄膜的电致变色性能可以和当前用溅射法所制备的膜相媲美。在这个方法（图1）中，研究者首先利用溶液沉积法把金属氯化物覆着在导电玻璃衬底上，然后用紫外光照射前驱物薄膜。紫外光以及由紫外光激发的臭氧可以快速的使氯化物前驱物转化为非结晶性的氧化物。以WO₃（WO₃ 是最常用的电致变色材料）为例子，研究者先把氯化钨的乙醇溶液旋涂在导电玻璃衬底上，在紫外光的照射下，氯化钨前驱物在几分钟内就会转变成WO₃。除了WO₃，这种合成方法还可以用于合成其他电致变色金属氧化物薄膜如V₂O₅、Nb₂O₅和MoO₃。所得到的金属氧化物的电致变色性能都非常优秀。更为重要的是，如果把研究者的紫外光驱动的分解法与可规模化的溶液沉积技术如喷涂法相结合的话，就可以在大尺寸的玻璃衬底上制备电致变色金属氧化物薄膜，进而做出大尺寸的电致变色玻璃（图2）。这种可规模化的镀膜技术有着如低温制备、速度快、设备便宜、操作简单等重要优势。因此，这种基于溶液的光沉积薄膜法在降低工业制备电致变色玻璃成本方面有巨大的潜力。

图2. 处于透明和着色状态的电致变色玻璃（100 cm²）照片，其中的电致变色层是由光沉积法制备的。

这一成果近期发表在Chem 上，文章的第一作者是英属哥伦比亚大学博士后程威博士。因为这项工作，程威博士被Chem 编辑部选为“Potential Energy”并受邀撰写文章介绍这项工作（Chem, 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.03.014），该文章与上面的论文在Chem 上同期发表。

该论文作者为：Wei Cheng, Jingfu He, Kevan E. Dettelbach, Noah J.J. Johnson, Rebecca S. Sherbo, Curtis P. Berlinguette

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Photodeposited Amorphous Oxide Films for Electrochromic Windows

Chem, 2018, DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2017.12.030

程威博士简介

程威，加拿大英属哥伦比亚大学博士后，2016年博士毕业于瑞士苏黎世联邦工学院（ETHZ）材料科学专业，师从Markus Niederberger教授。研究方向主要集中在无机纳米材料的合成，组装及其在锂离子电池，光催化，以及气体传感器中的应用。2016 年至目前在加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）化学系Curtis Berlinguette教授课题组做博士后，主要研究电致变色材料及其在智能窗中的应用。目前已在国际著名期刊如Chem, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Chemical Science, ACS Nano, Chemistry of Materials 等上发表论文19篇。

Curtis P. Berlinguette

http://www.x-mol.com/university/faculty/6553

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：我们课题组的一个主要研究方向是用光化学分解法制备非晶金属氧化物电催化剂。后来我们得知智能玻璃中所用的电致变色材料通常用的是非晶过渡金属氧化物如WO₃，我们就自然而然的想到能否把光沉积法用于制备电致变色金属氧化物。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：我们这项研究中最大的挑战是如何用我们的方法在大尺寸玻璃衬底上镀电致变色金属氧化物薄膜。我们采用了工业上常用的喷涂法来沉积金属前驱物，通过大量参数调控与优化后，终于成功在大尺寸衬底上镀上了非常均匀的金属氧化物薄膜。这使得我们的方法在工业上有非常广阔的应用前景。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：我们的光沉积法是一种普适的，可用于制备大量不同种类的金属氧化物薄膜的方法。基本上元素周期表中的大多数元素的氧化物都可以用我们的方法合成。而非晶金属氧化物在电催化，电致变色，还有透明导体等方面有重要应用，这些领域的企业和研究机构应该会对我们的工作感兴趣。