一、文章概述

电致变色（EC）材料，由于其在所施加的电势下可以与插入的离子发生电化学氧化从而可以可逆地改变其光吸收，因此在显示器、智能窗户和光学伪装等领域具有广阔的应用前景。近年来，科学家们致力于将电致变色功能融入柔性可穿戴电子领域，同时将柔性功能集成到EC器件中保持高能效、快速转换速度和长耐久性变得至关重要。但是，这极具挑战性，因为：（1）EC性能和机械性能与所选材料，它们的纳米级结构和组装方法毫不相关。（2）需要对透明导电电极和EC材料以及将它们集成在一起的策略进行共同优化。过渡金属氧化物（TMO）是用于智能窗和显示器等应用的理想的电致变色（EC）材料。MXenes（例如Ti₃C₂T_x）及其衍生的TMO（例如2D TiO₂）由于其2D性质以及将它们组装成松散网络结构的可能性，因此是高性能和柔性EC设备的理想材料。基于此，东华大学Hongzhi Wang教授、美国波士顿大学Xi Ling教授和加州大学伯克利分校Yuxuan Lin教授报道了一种基于自组装2D TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构的柔性、快速和高着色效率的EC器件，其中Ti₃C₂T_x层为透明电极，而2D TiO₂层为EC层。得益于这些组装好的纳米厚异质结构的良好孔隙率和连通性，它们可以实现快速有效的离子和电子传输，以及出色的机械和电化学稳定性。研究人员进一步演示了大面积的柔性设备，可以将其集成到曲面和柔性表面上，有望应用于生活中的电子产品。

二、图文导读

图1说明了自组装的TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构在柔性结构上的制造过程，该结构是EC器件的核心功能组件。制造过程包括三个步骤：（1）蚀刻Ti₃AlC₂粉末（MAX相）得到Ti₃C₂T_x纳米片分散液，然后通过冷冻干燥形成Ti₃C₂T_x气凝胶。然后将Ti₃C₂T_x气凝胶在400 ℃的空气中退火，以完全转化为TiO₂气凝胶。（2）将Ti₃C₂T_x（TiO2）气凝胶分散到异丙醇（IPA）中，然后将其注入到己烷和水之间的界面中，在此处纳米片会自组装成均匀的纳米厚度薄膜；（3）将自组装的Ti₃C₂T_x膜和TiO₂膜依次转移到柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，以形成TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构，其中，Ti₃C₂T_x膜用作透明导电电极，而TiO₂膜用作EC器件中的EC层。

图1：在柔性基板上TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构的制造过程。

图2：将Ti₃C₂T_x转换为2D TiO₂薄片。

图3：自组装的Ti₃C₂T_x薄膜作为透明电极的特性。

图4：TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构的电致变色特性。

图5：TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构的机械性能和大面积柔性EC器件的演示。

三、论文信息

Flexible and high-performance electrochromic devices enabled by self-assembled 2D TiO2/MXene heterostructures

Nature Communications (IF=12.121)

Pub Date : 2021-03-11

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21852-7

Ran Li, Xiaoyuan Ma, Jianmin Li, Jun Cao, Hongze Gao, Tianshu Li, Xiaoyu Zhang, Lichao Wang, Qinghong Zhang, Gang Wang, Chengyi Hou, Yaogang Li, Tomás Palacios, Yuxuan Lin*, Hongzhi Wang* & Xi Ling*

State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, College of Materials Science and Engineering, Donghua University, Shanghai, China