Small:电化学致动器新思路——既可多色彩变化,又可多方向变形

电化学致动器兼具可控性强、驱动电压低、重量较轻和加工简便等综合优势,在近些年引起了广泛的关注。然而,现有多数电化学致动器大多基于电化学双电层效应,功能较为单一、致动方向难以调控,阻碍了其未来发展。基于赝电容原理的电化学致动器耦合了活性材料带隙与晶体结构的变化,为解决以上难题提供了潜在途径(1)。其中,电致变色致动器能同时发生变色和变形两种行为,大大丰富了电化学致动器在仿生伪装、人工智能等方面的应用。

东华大学先进功能材料课题组基于前期在氧化钨纳米线(W18O49 NWs)电致变色致动器上的工作积累(无色与蓝色转换,活性层收缩),进一步利用V2O5作为活性材料,不同于氧化钨纳米线,V2O5在发生电致变色时(黄色、绿色与蓝灰色变化),同时伴随着Li+嵌入和脱出晶格,从而引起V2O5晶相结构的转变,导致活性层膨胀及致动行为。作者使用具有较高的长径比V2O5 纳米线(NWs)作为活性材料,构筑V2O5 NWs/单壁碳纳米管(SWCNTs)双层网络,设计“背对背”器件结构,组装可在空气中工作的电致变色致动器,从而实现了变色变形双响应行为。

1. 电化学致动的两种形变机理:电化学双电层和赝电容(嵌锂)。

致动薄膜为三层结构(图2a-c),具有较高长径比的V2O5 NWs被抽滤沉积在单臂碳纳米管导电层上,高的长径比使V2O5 NWs和SWCNTs紧密缠结在一起,消除了在循环过程中了出现的连接不稳定的问题,在电解池中进行致动薄膜的光学性能和致动性能测试时,发现在−1 V电压下,最大致动角度可达到173°,且颜色可以在黄色-黄绿色-蓝灰色之间可逆转变(图2d),反射率对比度高达27.8%,显示出较好的致动和变色性能。此外,在100个循环下,致动角度仅仅降低了16.2%,反射率对比度几乎和初始值一样,显示出较好的循环稳定性。

2. V2O5 NWs/SWCNTs复合薄膜的制备及变色变形双响应性能研究。

通过原位电化学XRD测试,研究了V2O5 NWs的相转变过程。我们发现,在一个循环测试中,V2O5 NWs的(001)晶面先向低角度偏移,随后恢复,说明(001)方向的晶格有一个先膨胀后恢复的过程,在晶相中可表示为,当离子嵌入时,发生了相结构的改变(V2O5 – α-V2O5 – ε-V2O5 – δ-V2O5)(图2e-g),这也是V2O5 NWs发生致动的主要原因。通过原位电化学Raman以及致动前后的TEM等测试手段辅助证明了这一观点。

3. 基于V2O5 NWs/SWCNTs的电致变色致动器及其演示实验。

通过设计背对背结构(3a),制备成可以在空气中实现变色致动双响应的致动器。电致变色致动器的测试结果显示,在特定的电压刺激下,电致变色致动器会发生较大的弯曲变形(±9.7 mm,±28.4°),同时发生可逆的颜色变化(3b)。基于W18O49 NWs在离子嵌入时活性层收缩,V2O5 NWs在离子嵌入时活性层膨胀这一特点,进行了复合致动器的制备,在同一电压刺激下,复合致动器可以朝着不同方向发生变形,并表现出不同的颜色变化(3c)。此外,还进行了仿生花朵,以及仿生章鱼的演示实验(3de),验证了变色变形双响应致动器在空气中稳定运行的可能性。

东华大学博士生凌勇为第一作者,李耀刚教授、李克睿研究员为论文共同通讯作者。延伸阅读见Lattice-contraction triggered synchronous electrochromic actuator(DOI: 10.1038/s41467-018-07241-7)

论文信息:

Electrochemical Actuators with Multicolor Changes and Multidirectional Actuation

Yong Ling, Hongwei Fan, Kun Wang, Ziqiu Lu, Lichao Wang, Chengyi Hou, Qinghong Zhang, Yaogang Li*, Kerui Li*, Hongzhi Wang

Small

DOI: 10.1002/smll.202107778

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107778