NiI2基湿致变色材料的应用研究

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随着科学与社会的发展,湿度探测在生活、生产等多个方面有着重要的作用。传统的湿度探测大多采用电学模式进行探测,需要专业的测试仪器。湿致变色材料的发展为湿度探测提供了一种新的思路,可以通过裸眼观察来判断环境湿度的变化。在本文中,以碘化镍(NiI2)、NiI2/(CH34NI材料为研究对象,分别研究了材料的变色行为及湿敏性能,探索其变色机理及湿敏机制。主要内容分为两部分:1. 采用湿化学法处理得到NiI2材料,并且通过一系列原位表征对材料在干燥及湿润状态下的物相、晶体结构及吸收光谱等性质进行了探索。分析了NiI2材料变色行为机理,这是由于NiI2在吸收水分后会转变为NiI2·6H2O。测试了NiI2膜的变色行为,发现其随着湿度变化会发生可逆的黑色-透明变色行为,且其变色行为可受基底调控。理论计算表明,NiI2材料在经过湿化学法处理后,会使得材料整体具备更大的表面能。此外,测试了NiI2在超低湿环境下的电学湿敏性能,结果表明,在0.4%RH~11%RH的超低湿度中,NiI2湿度传感器的阻抗变化约为两个数量级,线性度为0.992,展现出优异的灵敏度与线性度。并分析了NiI2在超低湿环境下的湿度检测机理,认为其优异的湿敏性能是由于其对湿度的体吸附作用。进一步测试了传感器在全湿范围的湿敏性能,发现其具有快速的响应,响应时间仅为3 s,且展现出优异的重复性。结合NiI2对湿度在光学和电学方面的敏感特性,制备出基于NiI2的光学-电学双模柔性湿度探测手环,该手环可通过裸眼观察颜色变化及电学测试两种模式来对湿度进行探测,且电学测试误差最大仅为3.9%RH。这种双模式探测湿度的方式,为湿度探测提供了一个新颖的研究思路。2. 通过有机杂化的方式制备出NiI2/(CH34NI杂化材料,并利用X射线衍射分析(XRD)、角分辨X射线光电子能谱(ARXPS)以及水接触角等一系列表征对材料的晶体结构、表面组分及吸收光谱等性质进行了探索。对NiI2/(CH34NI杂化材料的变色行为进行了探索,发现其相比于NiI2变色材料展现出更快速与更可靠的变色行为。NiI2/(CH34NI变色行为增强的原因是由于(CH34NI的杂化改善了NiI2膜表面亲水性及膜内部的疏水性。利用NiI2/(CH34NI杂化材料作为敏感材料制作了湿度传感器,测试其湿敏性能,发现其恢复特性有了极大的改善,恢复时间仅为NiI2传感器的三分之一。最后结合NiI2/(CH34NI杂化材料独特的光学变色特性以及电学湿敏特性,探索了该材料在光学-电学双模式柔性湿度探测手环、纸基传感器以及智能窗等方面的应用。
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