东华大学王宏志等《自然·通讯》：自组装二维 TiO2/MXene异质结构实现高性能柔性电致变色器件

电致变色（EC）材料可在外加电势下与插入离子发生电化学氧化反应，使其光吸收发生可逆变化，在显示器、智能窗口和光学伪装等领域显示出巨大的应用前景。近年来，随着人们对将电致变色引入柔性和可穿戴电子领域的兴趣日益浓厚，在保持高能效、快速响应和长期耐用性的同时，将柔性功能融入EC器件中变得越来越重要。然而，这是一项极具挑战性的任务，因为：（a）EC性能和机械性能与所选材料、纳米结构和组装方法密切相关；（b）需要对透明导电电极和EC材料进行共同优化，以及将它们集成在一起的方法。

最近，二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（简称MXenes）已成为具有良好电化学稳定性的有前景的纳米电子材料。由于其独特的光学和电学性质，MXenes及其衍生物在储能、催化和电子学等领域显示出潜在的应用前景。更重要的是，MXenes及其衍生物的二维纳米片可以在液相中以可扩展的方式制备，这使其易于构建自组装膜和混合结构，因此适合大规模应用。以MXenes为柔性透明电极、TMOs（由MXene衍生而来）为柔性EC层的自组装MXene/TMO异质结构是一种很有前景的高性能柔性EC器件。除了上述MXene衍生物的不同功能组分易于制备和集成的优点外，更重要是TMO的纳米片网络不仅可以实现优异的EC性能，而且可以在各种EC材料中实现可靠的机械和化学稳定性。鉴于此，作为概念验证，东华大学王宏志教授联合美国波士顿大学Xi Ling教授、加利福尼亚大学伯克利分校Yuxuan Lin教授成功地将Ti₃C₂T_x（T = O、OH或F）和衍生的TiO₂纳米片组装成液-液界面处均匀的纳米厚膜，并在柔性衬底上基于TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构制造了EC器件。由于组装的单层TiO₂薄膜的离子扩散和电子导电性大大改善，以及MXene电极和TiO₂ EC层的2D性质，该器件是具有最快着色速度、最高着色效率和优异电化学稳定性的最佳柔性EC器件之一。

文章亮点：1、实现了具有较大横向尺寸和纳米厚度的单晶2D TiO₂薄片，以及液/液界面自组装技术使MXene和2D TMO薄膜的大规模生产具有极好的均匀性。2、由于网络化2D纳米结构独特的电学、电化学和力学性能，基于自组装2D-TMO/MXene异质结构的EC器件同时实现了优异的电致变色效率、快速着色速度和优异的机械柔性。

图1 柔性衬底上TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构的制备工艺

图2 TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构的电致变色性能

图3 TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结构的力学性能及大面积柔性EC器件的演示原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21852-7