2020年12月，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队采用电化学聚合法制备了三维结构上长程有序、短程无序的层状聚苯胺薄膜，其光学对比度高于70%，着色0.8 s、褪色4.2 s，着色效率可达328.5 cm2 C-1，有望应用于电致变色器件领域。该研究成果发表在国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（IF 10.65）。岛津上海分析中心应用工程师刘仁威博士参与材料性能表征，分别采用岛津XPS和SPM-9700HT完成了聚苯胺薄膜的元素、形貌和厚度表征工作。

 

Chemical Engineering Journal，2020，DOI：10.1016/j.cej.2020.128126

 

电致变色

 

电致变色是材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。本文通过掺杂对甲苯磺酸及调控电化学工艺，制备了短程无序的高度规整的层状聚苯胺薄膜，通过施加不同的电位，实现了颜色上（浅黄到深墨绿色）的可逆变化（图1）。

 

图1 对甲苯磺酸掺杂聚苯胺电致变色示意图

 

样品结构的确认

 

电化学聚合体系相对复杂，为了确认对甲苯磺酸成功掺杂到聚苯胺上，利用岛津AXIS Supra对电化学聚合的对甲苯磺酸掺杂聚苯胺（pTSA-PANI）薄膜进行表面氩离子清洁之后采集其表面元素信息，如图2、3所示，表面主要存在C、N、O、S元素。通过对各元素精细谱分析获得了薄膜中N、S元素的价态及原子占比，确认对甲苯磺酸成功掺杂到聚苯胺上；另外结合红外光谱和EDS进行了分析，确定了样品的结构。

 

图2  pTSA-PANI薄膜的XPS元素分布全谱图

 

图3  pTSA-PANI薄膜的XPS元素精细谱图

 

层状结构厚度的测量

 

研究发现， pTSA-PANI具有长程有序的层状结构，其层间距的大小对电致变色过程的离子传输与储存具有重要影响，因而需要对聚苯胺的片层结构及厚度进行准确分析。

 

研究采用液相剥离法对pTSA-PANI薄膜进行剥离，获得超薄pTSA-PANI片。随后采用岛津SPM的动态模式对超薄pTSA-PANI的表面形貌和厚度进行表征，从而直观、准确地确定其层状结构（图4）。图中浅色区域为液相剥离后覆盖在云母片上的pTSA-PANI薄片，通过高度曲线可观测到单层或多层聚苯胺的厚度分别为1.32 nm和3.23 nm。

 

图4  pTSA-PANI薄膜的AFM表面形貌图及对应的高度曲线

 

 

在此基础上，张耀鹏、范苏娜团队结合X射线反射率的分析，进一步验证了pTSA-PANI的层间距的确为1.3 nm。

 

客户声音

 

文章的第一作者黄翔宇博士生表示：“通过掺杂对甲苯磺酸及调控电化学工艺，可以制备高度规整的层状聚苯胺。尽管通过X射线反射率技术能够定量计算其层间距的大小，但结合显微镜技术对其层间距进行直接的测试则更具说服力。在岛津分析中心刘仁威博士的帮助下，首先使用岛津XPS辅证了我们成功将对苯磺酸掺杂到聚苯胺中，并使用岛津SPM完成了对超薄聚苯胺样品的表面形貌和厚度的测试，非常直观地反映了聚苯胺的层状结构信息，同时也为层间距大小的确定提供了强有力的实验支撑。特别感谢岛津分析中心，希望在后续的合作中大家能够进一步拓展应用研究，取得更好的实验成果”。

 

东华大学博士生黄翔宇的工作照（右一）

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领域：高分子材料,生物质材料

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