2020年12月,，東華大學(xué)纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬、范蘇娜團(tuán)隊采用電化學(xué)聚合法制備了三維結(jié)構(gòu)上長程有序,、短程無序的層狀聚苯胺薄膜,，其光學(xué)對比度高于70%，著色0.8 s,、褪色4.2 s,，著色效率可達(dá)328.5 cm2 C-1，有望應(yīng)用于電致變色器件領(lǐng)域,。該研究成果發(fā)表在著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（IF 10.65）,。島津上海分析中心應(yīng)用工程師劉仁威博士參與材料性能表征，分別采用島津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

電致變色

電致變色是材料的光學(xué)屬性（反射率,、透過率,、吸收率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象,，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化,。具有電致變色性能的材料稱為電致變色材料，用電致變色材料做成的器件稱為電致變色器件,。本文通過摻雜對甲苯磺酸及調(diào)控電化學(xué)工藝,，制備了短程無序的高度規(guī)整的層狀聚苯胺薄膜，通過施加不同的電位,，實現(xiàn)了顏色上（淺黃到深墨綠色）的可逆變化（圖1）,。

圖1 對甲苯磺酸摻雜聚苯胺電致變色示意圖

樣品結(jié)構(gòu)的確認(rèn)

電化學(xué)聚合體系相對復(fù)雜，為了確認(rèn)對甲苯磺酸成功摻雜到聚苯胺上,，利用島津AXIS Supra對電化學(xué)聚合的對甲苯磺酸摻雜聚苯胺（pTSA-PANI）薄膜進(jìn)行表面氬離子清潔之后采集其表面元素信息,，如圖2、3所示,，表面主要存在C,、N、O,、S元素,。通過對各元素精細(xì)譜分析獲得了薄膜中N、S元素的價態(tài)及原子占比,，確認(rèn)對甲苯磺酸成功摻雜到聚苯胺上,；另外結(jié)合紅外光譜和EDS進(jìn)行了分析，確定了樣品的結(jié)構(gòu),。

圖2  pTSA-PANI薄膜的XPS元素分布全譜圖

圖3  pTSA-PANI薄膜的XPS元素精細(xì)譜圖

層狀結(jié)構(gòu)厚度的測量

研究發(fā)現(xiàn),， pTSA-PANI具有長程有序的層狀結(jié)構(gòu)，其層間距的大小對電致變色過程的離子傳輸與儲存具有重要影響,，因而需要對聚苯胺的片層結(jié)構(gòu)及厚度進(jìn)行準(zhǔn)確分析,。

研究采用液相剝離法對pTSA-PANI薄膜進(jìn)行剝離，獲得超薄pTSA-PANI片,。隨后采用島津SPM的動態(tài)模式對超薄pTSA-PANI的表面形貌和厚度進(jìn)行表征,，從而直觀、準(zhǔn)確地確定其層狀結(jié)構(gòu)（圖4）,。圖中淺色區(qū)域為液相剝離后覆蓋在云母片上的pTSA-PANI薄片,，通過高度曲線可觀測到單層或多層聚苯胺的厚度分別為1.32 nm和3.23 nm。

圖4  pTSA-PANI薄膜的AFM表面形貌圖及對應(yīng)的高度曲線

在此基礎(chǔ)上,，張耀鵬,、范蘇娜團(tuán)隊結(jié)合X射線反射率的分析，進(jìn)一步驗證了pTSA-PANI的層間距的確為1.3 nm,。

客戶聲音

文章的第一作者黃翔宇博士生表示：“通過摻雜對甲苯磺酸及調(diào)控電化學(xué)工藝,，可以制備高度規(guī)整的層狀聚苯胺,。盡管通過X射線反射率技術(shù)能夠定量計算其層間距的大小,，但結(jié)合顯微鏡技術(shù)對其層間距進(jìn)行直接的測試則更具說服力,。在島津分析中心劉仁威博士的幫助下，首先使用島津XPS輔證了我們成功將對苯磺酸摻雜到聚苯胺中,，并使用島津SPM完成了對超薄聚苯胺樣品的表面形貌和厚度的測試,，非常直觀地反映了聚苯胺的層狀結(jié)構(gòu)信息，同時也為層間距大小的確定提供了強有力的實驗支撐,。特別感謝島津分析中心,，希望在后續(xù)的合作中大家能夠進(jìn)一步拓展應(yīng)用研究，取得更好的實驗成果”,。

東華大學(xué)博士生黃翔宇的工作照（右一）