一种电致变色器件及其应用的制作方法

本发明涉及智能窗技术领域，尤其涉及一种电致变色器件及其应用，尤其涉及一种基于紫精衍生物的可见红外敏感的凝胶电致变色器件及其应用。

背景技术：

电致变色技术是利用电场动态调节电致变色材料和器件对光的吸收和透过的技术。基于电致变色技术制备的智能窗可以用于控制建筑物、飞机或汽车内部光照度，电致变色智能窗还可以选择性地吸收或反射外界热辐射，有效地减少建筑物在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须耗费的大量能源。

目前研究及生产的电致变色器件主要是在可见光(vis)区发生颜色和吸收等的变化，考虑到太阳光辐射的热量有一半以上是在红外光(nir)区，如果电致变色器件能对红外光区的光线有吸收，将能起到很好的隔热效应。

cn105960717a一种智能窗，包括：有机电致发光器件，包括彼此对应的第一电极和第二电极以及设置在所述第一电极和所述第二电极之间并且包含有机电致发光材料的发光层；电致变色器件，包括电致变色层，所述电致变色层包含电致变色材料并且设置在所述有机电致发光器件上方，其中，所述有机电致发光器件设置在所述电致变色器件下方以在预定区域中形成光传输部分，并且其中，所述第一电极由透明电极或高反射半透明电极形成，并且所述第二电极由高反射电极形成。该器件无法实现对红外光区的光线有吸收。

cn104910892a公开了一种电致变色材料及其电致变色器件，该电致变色材料由阴极电致变色材料和阳极电致变色材料组成的混合物，所述阴极电致变色材料是在吡啶环上带有各种取代基，旨在强化变色过程中结构由正交状态转变为平面状态时的稳定性及吡啶环中电荷分散性，提高两种状态之间的电势差δe值。所述电致变色器件包括有透明导电玻璃、导电反射玻璃，在透明导电玻璃和导电反射玻璃的四周通过胶体粘合形成腔体，腔体内填充有所述的电致变色材料。该发明的电致变色器件具有长寿命，变色与褪色速率快的特点，可适用于汽车防眩目后视镜领域或建筑用调光玻璃的智能窗。但是所述电致变色材料的共轭成都较低，不能对红外光区的光线有吸收，因此器件也只能对可见光进行吸收。

因此，本领域亟待开发一种能够对可见和近红外双光区敏感的电致变色器件。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种电致变色器件，特别在于提供一种基于紫精衍生物的可见红外敏感的凝胶电致变色器件。所述电致变色器件对红外光区的光线有吸收。

为达此目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种电致变色器件，所述电致变色器件中含有式i所示的电致变色材料；

式i中，所述r选自c1～c7的烷基。

本发明提供了一种以式i所述的化合物为电致变色材料的器件，式i化合物是对紫精化合物的发色团的共轭长度进行调制，在两个吡啶基团间引入噻吩，以延长发色团的共轭长度，调控发色团的氧化还原电势，从而丰富发色团在不同电压作用下的颜色变化，同时引入c1～c7的烷基以及碘离子，烷基的引入可以使得吡啶基成盐，形成紫精类似物，调控化合物的变色性能，碘离子主起到阴离子的作用。该化合物用于电致变色器件时，器件能对红外光区的光线有吸收，得到一种对可见和近红外双光区敏感的电致变色器件，可以既遮光又隔热，并拥有高透过率差值，以及良好的稳定性和循环寿命。

优选地，所述r为甲基。

优选地，式i所示的电致变色材料的制备方法包括如下步骤：

(1)使化合物1与化合物2反应得到化合物3，反应式如下：

(2)使化合物3与ri反应得到式i所示的电致变色材料，反应式如下：

所述r选自c1～c7(例如c2、c3、c4、c5和c6)的烷基。

优选地，步骤(1)中，所述反应在催化剂作用下进行。

优选地，步骤(1)中，所述催化剂包括pd(ph3p)4、pd(dppf)cl2、pdcl2(ch3cn)2和pd(pph3)2cl2中的任意一种或至少两种组合。

优选地，步骤(1)中，所述反应在无机碱的作用下进行。

优选地，所述无机碱包括磷酸钾。

优选地，步骤(2)中，所述反应的溶剂包括ch3cn。

优选地，所述电致变色器件中含有电致变色凝胶，所述电致变色凝胶中含有式i所示的电致变色材料。

优选地，所述电致变色凝胶中还含有对电极材料。

所述对电极材料在电致变色器件中辅助工作电极氧化还原过程中的电子平衡过程(大多数起到离子存储的作用)。

优选地，所述对电极材料包括二茂铁、1,1'-双(二苯基膦)二茂铁、乙烯基二茂铁、双(1-(2,4-二氟苯基)-3-吡咯基)二茂铁和正辛基二茂铁中的任意一种或至少两种组合，优选二茂铁。

本发明优选式i的化合物与二茂铁组合使用，由于二茂铁具有较好的溶解性与稳定性，且属于低电压的氧化型电极材料，与式i的还原型电极材料匹配，使得到的电致变色器件具有更加优异的性能。

优选地，所述二茂铁与式i所示的电致变色材料的摩尔比为7～10:1，例如7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1等，优选8:1。

优选地，所述电致变色凝胶的制备方法包括：将式i所示的电致变色材料、对电极材料、电解质、凝胶聚合物和溶剂混合，搅拌，得到所述电致变色凝胶。

优选地，所述电解质包括三氟甲基硫磺酰亚胺锂盐、高氯酸锂、溴化锂和氯化锂中的任一种或至少两种组合，优选三氟甲基硫磺酰亚胺锂盐。

优选地，所述凝胶聚合物包括聚丙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或至少两种组合，优选聚丙烯醇缩丁醛。

优选地，所述溶剂包括碳酸丙烯酯、甲醇、丙酮、乙腈和乙酸乙酯中的任意一种或至少两种组合，优选碳酸丙烯酯和甲醇。

优选地，所述搅拌的时间为1～3h，例如1.1h、1.3h、1.5h、1.7h、1.9h、2h、2.3h、2.6h、2.87h、2.9h等，优选2h。

优选地，所述电致变色器件包括液晶盒以及填充在所述液晶盒中的所述电致变色凝胶。

优选地，所述液晶盒包括面对面设置的两片导电玻璃，以及设置在两片导电玻璃之间的含有空腔的石蜡层。石蜡层的空腔即为液晶盒的空腔，也是所述变色凝胶填充的位置。

液晶盒的厚度由石蜡层的厚度来控制，电致变色器件的变色区域也由石蜡层空腔的形状来决定。

优选地，所述石蜡层的厚度为60～80μm，例如62μm、65μm、68μm、70μm、73μm、75μm、78μm等，优选70μm。

优选地，所述空腔为圆形空腔。

优选地，所述圆形空腔的半径为0.7～1cm，例如0.75cm、0.8cm、0.85cm、0.9cm、0.95cm、0.98cm等，优选0.8cm。

优选地，所述导电玻璃包括氧化铟锡玻璃、氧化锑玻璃、氧化锌玻璃和氟掺杂氧化锡玻璃中的任意一种或至少两种组合，优选氧化铟锡玻璃。

本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述的电致变色器件的应用，所述电致变色器件应用于智能窗、电子纸、后视镜、舷窗或玻璃幕墙。

本发明的目的之三在于提供一种智能窗，所述智能窗包括目的之一所述的电致变色器件。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种以式i所述的化合物为电致变色材料的器件，式i化合物是对紫精化合物的发色团的共轭长度进行调制，在两个吡啶基团间引入噻吩，以延长发色团的共轭长度，调控发色团的氧化还原电势，从而丰富发色团在不同电压作用下的颜色变化，同时引入c1～c7的烷基以及碘离子，烷基的引入可以使得吡啶基成盐，形成紫精类似物，调控化合物的变色性能，碘离子主起到阴离子的作用。该化合物用于电致变色器件时，器件能对红外光区的光线有吸收，得到一种对可见和近红外双光区敏感的电致变色器件，可以既遮光又隔热，并拥有高透过率差值，以及良好的稳定性、循环寿命和变色效率，器件在570nm处的褪色态与着色态透过率差值高达81.7％，经过15000次循环后δt仅降低2.5％，在570nm处的变色效率高达228.8cm²/c。

附图说明

图1是实施例1中提供的电致变色器件结构的剖面图。

图2a是测试例1中基于tmp的电致变色器件的循环伏安图。

图2b是测试例1中基于dmv的电致变色器件的循环伏安图。

图3a是测试例2中基于dmv的电致变色器件的可见-近红外吸收光谱随电压的变化图。

图3b是测试例2中基于tmp的电致变色器件的可见-近红外吸收光谱随电压的变化图。

图3c是测试例2中基于dmv的电致变色器件在着色态和褪色态时的透射谱图。

图3d是测试例2中基于tmp的电致变色器件在着色态和褪色态时的透射谱图。

图3e是测试例2中基于dmv的电致变色器件在褪色态的器件图像。

图3f是测试例2中基于dmv的电致变色器件在着色态的器件图像。

图3g是测试例2中基于tmp的电致变色器件在褪色态的器件图像。

图3h是测试例2中基于tmp的电致变色器件在着色态的器件图像。

图4a是测试例3中基于tmp的电致变色器件在570nm处的光密度差值随电荷密度变化曲线。

图4b是测试例3中基于tmp的电致变色器件在835nm处的光密度差值随电荷密度变化曲线。

图4c是测试例3中基于tmp的电致变色器件在910nm处的光密度差值随电荷密度变化曲线。

图4d是测试例3中基于tmp的电致变色器件在1046nm处的光密度差值随电荷密度变化曲线。

图4e是测试例3中基于dmv的电致变色器件在605nm处的光密度差值随电荷密度变化曲线。

图5a是测试例4中基于tmp的电致变色器件在570nm处循环变色过程中的光谱-时间响应曲线。

图5b是测试例4中基于dmv的电致变色器件在605nm处循环变色过程中的光谱-时间响应曲线。

图5c是测试例4中基于tmp的电致变色器件变色褪色过程中的电流-时间响应曲线。

图5d是测试例4中基于dmv的电致变色器件变色褪色过程中的电流-时间响应曲线。

图6a是本发明提供的电致变色器件在不加电压时的遮光效果示意图。

图6b是本发明提供的电致变色器件在施加2s电压时的遮光效果示意图。

图6c是本发明提供的电致变色器件在施加2s电压时的遮光效果示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

合成例1

本合成例合成一种式i所示的化合物(tmp)，具体如下：

(1)合成化合物3

称取化合物2(1g，4.9mmol)，四三苯基磷钯(204mg，0.176mmol)与磷酸钾(2.98g，14.1mmol)于100ml两口烧瓶中，除去水和氧气，再加入化合物1(424mg，1.77mmol)与70ml的1,4-二氧六环，90℃反应72小时后，冷却至室温，过滤，氯仿冼涤沉淀，柱层析分离得到黄色固体即化合物3(254mg，1.06mmol)，产率为60％。

化合物3的¹hnmr(400mhz，dmso-d6)谱图中δ值分别为：8.64–8.59：(m，4h)，7.92：(s，2h)，7.75–7.68：(m，4h)。

结构表征：

(2)合成tmp

化合物3(0.2g，0.84mmol)与碘甲烷(0.3g，2.1mmol)溶于1ml乙腈中，加热至回流，反应24h后，溶剂在旋转蒸发仪上旋干，得到的粗产物用乙腈冲洗三次，提纯后得到黄色固体即化合物tmp(0.32g，0.61mmol)，产率73％；

化合物tmp的¹hnmr(400mhz，d2o)谱图中δ值分别为：8.67：(d，j＝7.0hz，4h)，8.22：(d，j＝7.0hz，4h)，8.05：(s，2h)，4.27：(s，6h)。

对比合成例1

本对比合成例合成化合物dmv，具体如下：

在500ml烧瓶中，将化合物5(2.5g，16.7mmol)，碘甲烷(5.68g，40mmol)溶于150ml乙腈中，加热回流过夜，冷却至室温，过滤，乙酸乙酯冼涤沉淀，烘干，得到红色固体dmv(6.6g，15mmol)，产率为90％。

化合物dmv的¹hnmr(400mhz，d2o)数据谱图中δ值分别为9.02：(s，4h)，8.51：(s，4h)，4.48：(s，6h)。

实施例1

本实施例1提供一种基于tmp的电致变色器件，制备方法如下：

在手套箱里，将电致变色材料tmp(0.1mmol)，二茂铁(0.8mmol，23mg)，碳酸丙烯酯(150mg)溶剂，三氟甲基硫磺酰亚胺锂盐电解质(160mg)和聚丙烯醇缩丁醛(300mg)溶于干燥甲醇(1.5ml)中，搅拌2小时得到均匀的电致变色凝胶。把凝胶灌注到液晶盒里，即得到所述电致变色器件。

其中，液晶盒包括两片面对面设置的氧化铟锡玻璃，在两片氧化铟锡玻璃之间夹有一层含有空腔的石蜡层，电致变色凝胶即灌注在所述空腔内。石蜡层的厚度为70μm，空腔为半径为0.8cm的圆形，面积为2cm²。

实施例1得到的电致变色器件结构的剖面图如图1所示，图1中紫精指的是电致变色材料tmp。

对比例1

本对比例提供一种基于dmv的电致变色器件，制备方法如下：

在手套箱里，将电致变色材料dmv(0.1mmol)，二茂铁(0.8mmol，23mg)，碳酸丙烯酯(150mg)，三氟甲基硫磺酰亚胺锂盐160mg)和聚丙烯醇缩丁醛(300mg)溶于干燥甲醇(1.5ml)中，搅拌2小时。放置七天后，取上层凝胶灌注到液晶盒里，得到所述电致变色器件。

其中，液晶盒包括两片面对面设置的氧化铟锡玻璃，在两片氧化铟锡玻璃之间夹有一层含有空腔的石蜡层，电致变色凝胶即灌注在所述空腔内。石蜡层的厚度为70μm，空腔为半径为0.8cm的圆形，面积为2cm²。

测试例1循环伏安表征

具体测试步骤：电致变色器件的循环伏安图使用两电极系统测量，使用的电化学工作站型号为ametekparstat3000a-dx，扫描速率为100毫伏/秒。

测试结果如图2a和图2b所示，其中图2a为基于tmp的电致变色器件的循环伏安图，图2b为基于dmv的电致变色器件的循环伏安图，图中显示，基于tmp和dmv的凝胶器件都有两个清晰的氧化峰和还原峰，表明材料和器件具有良好的氧化还原特性。

测试例2可见红外光谱测试

具体测试步骤：可见红外光谱曲线是通过紫外可见红外光谱仪(perkinelmerl6020365)与信号发生器(rigoldg4102function/arbitrary)联合测量，其中，紫外可见红外光谱仪负责收集可见红外光谱数据，信号发生器用于给电致变色器件施加不同的电压。测试结果如图3a-3d所示。

图3a为基于dmv的电致变色器件的可见-近红外吸收光谱随电压的变化图，图3b为基于tmp的电致变色器件的可见-近红外吸收光谱随电压的变化图，图3c为基于dmv的电致变色器件在着色态和褪色态时的透射谱图，图3d为基于tmp的电致变色器件在着色态和褪色态时的透射谱图，图3e为基于dmv的电致变色器件在褪色态的器件图像，图3f为基于dmv的电致变色器件在着色态的器件图像，图3g为基于tmp的电致变色器件在褪色态的器件图像，图3h为基于tmp的电致变色器件在着色态的器件图像；

从图3a和3b的可见光-近红外吸收光谱图中可以看出，tmp除了在可见光区500nm-600nm有吸收外，在近红外区800mm-1200nm也有吸收，而dmv只在可见光区有吸收。tmp和dmv的吸收峰强度都随电压的增加而显著增强，表明具有良好的电致变色特性。

图3c中，两条曲线分别为dmv器件在褪色和着色状态下的透射光谱曲线，褪色状态时在605nm的透过率为81％，着色状态时在605nm的透过率为10％，该器件两种状态的透过率差值高达71％；图3d中，两条曲线分别为tmp器件在褪色和着色状态下的透射光谱曲线，该器件在两种状态的透过率差值在570nm、835nm、910nm、1046nm分别为81.7％、68.6％、62.8％和55.3％。此外，图3e和3g中背景图案清晰(褪色态)，图3f和3h中背景图案模糊(着色态)，进一步证明包含dmv和tmp器件均具有良好的电致变色性能。

测试例3光密度和变色效率测试

具体测试步骤：变色效率由下面的公式计算：

η＝δod/δq＝log(tb/tc)/δq

其中，tb与tc分别代表褪色与着色时的透过率数值，δq代表所对应δod的电荷密度。通过联用电化学工作站与紫外可见光谱，可以得到施加特定电压下实时的透过率与电荷值，通过计算，最终取得一系列光密度与电荷密度的数据点，从而得到图4a-4e。

图4a-4d分别为基于tmp的电致变色器件在不同吸收峰位的光密度差值随电荷密度变化曲线，并由曲线的斜率可以得到变色效率，结果显示，tmp在570nm呈现非常高的变色效率(228.8cm²/c)。

图4e为基于dmv的电致变色器件在605nm处的光密度差值随电荷密度变化曲线，结果显示，dmv在605nm处的变色效率为71.8cm²/c。

测试例4循环稳定性及响应时间

具体测试步骤：利用信号发生器施加特定周期的方波电压并作用于电致变色器件，将紫外光谱仪调节为特定单波长的timedrive模式，二者联用得到图5a与5b。用电化学工作站对电致变色器件施加方波电压，得到图5c与5d。

图5a和5b分别为两种器件分别在570nm(tmp)和605nm(dmv)处循环变色过程中的光谱-时间响应曲线，图中显示了不同循环次数的光谱-时间响应曲线；

对于tmp器件(图5a)，初始状态(1-5次)δt为79.2％，经过5000次循环后，几乎没有变化，经过15000次循环后，δt为76.7％，只降低了2.5％，经过25000次循环后，δt为初始状态的70.6％；其中δt代表570nm处电致变色器件着色态与褪色态透过率的差值。

对于dmv器件(图5b)，在605nm处初始状态光透过率为82.2％，经过10000次循环后，δt为初始状态的63.7％；

结果证明，tmp器件显示了比dmv器件更好的稳定性，可能是tmp的阳离子自由基有长共轭链因而更稳定；

图5c和5d分别显示了基于tmp和dmv的电致变色器件的电流密度-时间变化曲线，并计算出tmp器件与dmv器件着色与保持着色态所需的能量数值。其中，tmp器件与dmv器件完成着色所需能量密度分别为15.2mj/cm²与25.2mj/cm²，保持着色态所需的功率密度分别为2.5mw/cm²与4.1mw/cm²。证明tmp器件显示了比dmv器件更好的节能特性。

结果总结：

根据以上结果可以看出tmp器件有着优秀的电致变色性能、透过率差值以及循环寿命，同时在可见和近红外光区都有显著的吸收峰，可以既遮光又隔热，并且相较于dmv器件具有更好的稳定性以及节能性。

本发明电致变色器件的遮光效果示意图如图6a-6c，其中vis代表可见光，nir代表红外光，箭头的宽度代表光强度，如图6a所示，不加电压时，vis和nir强度不变，即不能遮光也不能隔热；如图6b所示，施加2s的电压，vis强度变小，nir强度不变，即器件可以遮光但不能隔热；如图6c所示，施加超过7s，vis和nir强度均变小，即器件既可遮光又可隔热，这表明器件具有良好的光热选择性调节功能。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。