一种利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺
文献发布时间：2023-06-19 16:12:48
技术领域
本发明属于电致变色和液体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺。
背景技术
电致变色，顾名思义就是通过外加电压实现材料颜色等各种光学性质稳定可逆变化的技术。采用电致变色材料开发的器件对可见光和红外线等不同波段的光具有优异的调控能力，已被成功运用于日常生活中的多个领域。其中，以汽车防眩晕后视镜和建筑物智能窗最为常见。近年来，电致变色智能手机等新概念变色产品也已崭露头角。由于其低电压驱动、开路记忆以及结构与多种智能器件相适配等特点，符合当前绿色可持续发展的理念，在低功耗显示器件等节能领域具有较好的发展前景。
过渡金属氧化物及其衍生物是一类重要的无机电致变色材料，包括氧化钨、氧化钼、氧化钒、二氧化钛和氧化镍等，该类材料化学稳定性好、电化学可逆性强、着色态和透明态之间具有较高的颜色对比度，当前研究较为成熟且极具商业化应用潜力。传统的无机氧化物电致变色薄膜制备工艺大致可以分为真空沉积(如溅射镀膜、真空蒸镀等)和溶液加工工艺(如水热法、电化学沉积和溶胶-凝胶法等)。真空沉积技术依赖高昂的镀膜设备和严苛的真空实验条件，使得生产成本居高不下。而溶液加工工艺在制备氧化物电致变色薄膜的过程中酸、碱及有毒有害溶剂的使用和废液排放会对人类环境造成较大影响。因此，如何采用绿色无毒的简易溶液法制备氧化物电致变色薄膜是一个亟待解决的问题。
另一方面，可乐、雪碧等碳酸饮料在全球软饮料市场占据重要份额。为了减少塑料污染，人们已经开始对废弃饮料瓶进行回收和循环利用。然而，在餐馆厨余垃圾和回收的饮料罐中残留的碳酸饮料也很常见，更有甚者，大量过期饮料直接沦为液体垃圾，造成了资源浪费。这些废弃的碳酸饮料容易滋生蚊虫细菌，直接排放会造成水体污染，给环境带来重大负担。由此可见，将废弃的碳酸饮料进行资源化利用，在工业生产中使其变废为宝，具有重要的经济和环保意义。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺，一方面降低电致变色材料的制备成本、简化生产工艺，另一方面为废弃碳酸饮料提供资源化利用方案，减少液体废弃物的排放污染。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺，包括以下步骤；
1)利用碳酸饮料与可溶性金属盐配制氧化物前驱体；
2)前驱体于导电基底上进行薄膜涂布并烘干；
3)涂布后薄膜碳化，得到碳化后的黑色薄膜；
4)碳化后的黑色薄膜退火，得到氧化物电致变色薄膜。
所述步骤1)具体为：
将可溶性过渡金属盐(如偏钨酸铵、钼酸铵、偏钒酸铵和氯化镍等)溶解于碳酸饮料中，充分搅拌均匀后得到质量百分比为2％～10％的前驱体。
所述步骤2)具体为：
将配制好的前驱体采用液相涂布工艺(如旋涂、浸渍提拉、刮涂成膜和刷涂等工艺)涂覆于导电基底(如ITO玻璃、FTO玻璃等)，然后置于60-120℃加热板上烘干。
所述步骤3)具体为：
将烘干后薄膜置于200-350℃加热板上5-20min，将薄膜中的有机物成分进行碳化，得到碳化后的黑色薄膜。
所述步骤4)具体为：
碳化后薄膜放置于空气氛围中，在350-500℃下进行0.5-3h退火，冷却后即得到氧化物电致变色薄膜。
本发明的有益效果：
本发明采用废弃的碳酸饮料作为溶剂，溶解多种可溶性金属盐得到功能氧化物材料的前驱体，该配方绿色环保，避免了使用强酸强碱和有毒有机溶剂。碳酸饮料配制的前驱体不需要加入辅助试剂，可直接在空气氛围中进行涂膜、碳化和退火等工艺。该工艺制备氧化物电致变色薄膜简便易行，生产过程中不产生有毒废液，且成本大幅降低。此外，利用该配方制备的几种过渡金属氧化物薄膜具有优良的电致变色性能。这是由于碳酸饮料中所含的葡萄糖等物质能够在适宜的温度碳化形成碳源。在后续的退火过程中碳源作为还原剂，对氧化物材料进行适当还原，产生氧空位；同时碳源分解过程能够在薄膜中形成纳米尺度的孔隙，增加薄膜的比表面积。这些因素均能够促进阳离子在氧化物中的嵌入和脱出，有利于电致变色性能的提升。
本发明利用了废弃碳酸饮料的成分，变废为宝，使其在电致变色薄膜的制备过程中资源化利用，形成一道高性价比且绿色环保的生产工艺。
附图说明
图1为制备氧化物电致变色薄膜工艺流程图。
图2为前驱体涂布、碳化、退火状态薄膜照片。
图3为氧化钨薄膜拉曼光谱及变色前后照片。
图4为氧化钼薄膜拉曼光谱及变色前后照片。
图5为氧化钒薄膜拉曼光谱及变色前后照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参考图1，本发明所述的利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺，包括以下步骤：
1)利用碳酸饮料与可溶性金属盐配制氧化物前驱体；
2)前驱体于导电基底上进行薄膜涂布并烘干；
3)涂布后薄膜碳化；
4)碳化薄膜退火。
所述步骤1)的具体操作为：
将可溶性过渡金属盐(如偏钨酸铵、钼酸铵、偏钒酸铵和氯化镍等)溶解于碳酸饮料中，充分搅拌均匀后得到质量百分比为2％～10％的前驱体。
所述步骤2)的具体操作为：
将配制好的前驱体采用液相涂布工艺(如旋涂、浸渍提拉、刮涂成膜和刷涂等工艺)涂覆于导电基底(如ITO玻璃、FTO玻璃等)，然后置于60-120℃加热板上烘干。
所述步骤3)的具体操作为：
将烘干后薄膜置于200-350℃加热板上5-20min，将薄膜中的有机物成分进行碳化，得到碳化后的黑色薄膜。
所述步骤4)的具体操作为：
碳化后薄膜放置于空气氛围中，在350-500℃下进行0.5-3h退火，冷却后即得到氧化物电致变色薄膜。
实施例一
本发明所述一种利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺，包括以下步骤：
1)利用碳酸饮料与可溶性金属盐配制氧化物前驱体；
2)前驱体于导电基底上进行薄膜涂布并烘干；
3)涂布后薄膜碳化；
4)碳化薄膜退火。
所述步骤1)的具体操作为：
将1g偏钨酸铵粉末溶解于9g可口可乐中，室温下搅拌20min，充分混合均匀后得到氧化钨前驱体。
所述步骤2)的具体操作为：
将配制好的氧化钨前驱体采用浸渍提拉法涂布成膜，FTO玻璃浸入配制好的前驱体中，浸渍时间5s，提拉速度5000μm/s。提拉出的薄膜用无尘纸擦除FTO玻璃背面的前驱体，后将薄膜转移至120℃加热板上烘干5min。
所述步骤3)的具体操作为：
将烘干后薄膜置于300℃加热板上10min，将薄膜中的有机物进行碳化，得到黑色的碳化薄膜。
所述步骤4)的具体操作为：
碳化后薄膜放置于空气氛围中，以20℃/min的升温速率升温至400℃，保温2h，然后自然冷却至室温，即得到氧化钨电致变色薄膜。
所得氧化钨薄膜的拉曼光谱与变色前后的照片如图3所示。拉曼光谱数据表明该工艺所得薄膜主要成分为结晶态氧化钨。所得薄膜可以在无色透明和深蓝色两种光学状态之间切换，电致变色性能优良。
实施例二
本发明所述一种利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺，包括以下步骤：
1)利用碳酸饮料与可溶性金属盐配制氧化物前驱体；
2)前驱体于导电基底上进行薄膜涂布并烘干；
3)涂布后薄膜碳化；
4)碳化薄膜退火。
所述步骤1)的具体操作为：
将0.2g四水合钼酸铵粉末溶解于2.8g芬达饮料中，室温下搅拌15min，充分混合均匀后得到氧化钼前驱体。
所述步骤2)的具体操作为：
将配制好的氧化钼前驱体采用旋涂法涂覆于FTO玻璃上得到薄膜，具体旋涂参数为：转速1500r/min，旋涂时间10s。旋涂结束后，将涂有氧化钼前驱体的FTO玻璃置于60℃加热板上进行5min薄膜烘干。
所述步骤3)的具体操作为：
将烘干后薄膜置于300℃加热板上15min，将薄膜中的有机物进行碳化，得到碳化后薄膜。
所述步骤4)的具体操作为：
碳化后薄膜放置于空气氛围中，以15℃/min的升温速率升温至380℃，保温2h，然后自然冷却至室温，即得到氧化钼电致变色薄膜。
所得氧化钼薄膜的拉曼光谱与变色前后的照片如图4所示。拉曼光谱数据表明该工艺所得薄膜主要成分为结晶态氧化钼。所得薄膜可以在无色透明和蓝色两种光学状态之间切换，电致变色性能优良。
实施例三
本发明所述一种利用废弃碳酸饮料制备氧化物电致变色薄膜的绿色生产工艺，包括以下步骤：
1)利用碳酸饮料与可溶性金属盐配制氧化物前驱体；
2)前驱体于导电基底上进行薄膜涂布并烘干；
3)涂布后薄膜碳化；
4)碳化薄膜退火。
所述步骤1)的具体操作为：
将0.2g偏钒酸铵溶解于9.8g雪碧饮料中，70℃下搅拌25min，充分混合均匀后得到氧化钒前驱体。
所述步骤2)的具体操作为：
将配制好的氧化钒前驱体采用旋涂法涂覆于FTO玻璃上得到薄膜，具体旋涂参数为：转速1000r/min，旋涂时间5s。旋涂结束后，将涂有氧化钒前驱体的FTO玻璃置于90℃加热板上进行5min薄膜烘干。烘干后薄膜依照上述步骤进行二次旋涂，再次烘干。
所述步骤4)的具体操作为：
将烘干后薄膜置于300℃加热板上12min，将薄膜中的有机物进行碳化，得到碳化后薄膜。
所述步骤5)的具体操作为：
碳化后薄膜放置于空气氛围中，以15℃/min的升温速率升温至400℃，保温1.5h，然后自然冷却至室温，即得到氧化钒电致变色薄膜。
所得氧化钒薄膜的拉曼光谱与变色前后的照片如图5所示。拉曼光谱数据表明该工艺所得薄膜主要成分为结晶态氧化钒。所得薄膜可以在浅黄色透明和墨蓝色两种光学状态之间切换，电致变色性能优良。
按实施例制作过程，如图2所示，前驱体涂布于透明导电衬底上呈透明状态，经过碳化后，前驱体中有机物部分碳化变黑，再对碳化薄膜进行退火处理即得到透明氧化物薄膜。
将按照实施例制备的氧化物电致变色薄膜与电源一极连接，另一极连接FTO导电玻璃，氧化物薄膜与FTO层相对放置，同时浸入电解液中(如高氯酸锂的PC溶液)，施加不同电压即可实现薄膜的着色和脱色过程。