[发明专利]可重写介质的氧化还原成像纳米材料的光催化颜色切换

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2014年10月20日提交的美国临时专利申请序列号62/066,088的优先权，其通过整体引用结合到本文中。

政府利益的声明

本文中描述并要求保护的公开内容部分地利用美国能源部根据美国能源部和加利福尼亚大学董事之间的合同号DE-FG02-09ER16096提供的基金完成。政府对本公开内容具有一定的权利。

背景

响应外界刺激诸如电场或磁场、机械应力、温度变化或化学反应可逆地改变颜色的新颜色切换体系的研发已经引起了人们对其在传感装置、显示和标识技术、可重写介质和安全特征中的重要应用的大量注意力。

例如，由光响应材料提供特别有吸引力的可能性，其可以以清洁且非侵入的方式进行远程控制和快速改变，而不需要与体系直接接触。许多有机化合物显示出光可逆颜色切换性质，例如一些苯胺、二亚砜、腙、脎、半卡巴腙、均二苯乙烯衍生物、琥珀酸酐、樟脑衍生物、邻硝基苄基衍生物和螺环化合物。在这些有机化合物中涉及的一些最常见的颜色切换过程为周环反应、顺-反异构化、分子内氢转移、分子内基团转移、离解过程和电子转移(氧化-还原)。

已经致力于改善颜色切换有机化合物的性质，以满足不同应用的要求。然而，这些有机化合物在传感装置、显示和标识技术、可重写介质和安全特征中的实际应用可具有挑战性，例如，(i) 这些有机分子中的大部分强烈依赖其溶解于或分配于的环境性质，诸如极性、pH值、溶解性、温度等，(ii) 有机化合物经历竞争性热回弛豫(thermal back relaxation)，且有时会经历其他副反应，这些副反应虽然缓慢，但不可避免，并且引起严重的问题，诸如缺乏稳定性和可控性，导致颜色切换速率和循环性能两方面效率低，(iii) 当有机化合物存在于固态介质中而不是溶液中时，颜色切换通常变得慢得多，因为它们的分子迁移率受到剧烈限制，和(iv) 与有机化合物的复杂合成相关的高成本。

概述

本公开内容公开了用于可重写介质的氧化还原成像纳米材料的光催化颜色切换的产生。该新颜色切换体系基于能够响应光照射实现可逆且相当快速颜色切换的光催化氧化还原反应。

根据一个例示性实施方案，所述颜色切换体系包括光催化剂和成像介质。在光催化剂的帮助下，紫外光照射可快速地还原氧化还原成像纳米材料，伴随着明显的颜色改变，同时所产生的还原体系可通过可见光照射或在空气条件下加热切换回到初始颜色状态。根据一个例示性实施方案，该新颜色切换体系的设计(适当的光催化剂和氧化还原成像材料)极其重要，因此颜色切换可在光照时在两种成分之间可逆地转换。

根据一个例示性实施方案，公开了可逆颜色切换体系，其包含：氧化还原成像材料；和光催化剂，其光催化所述成像材料以产生能够响应光照射实现可逆颜色切换的光催化的氧化还原反应。

根据一个例示性实施方案，公开了用于可重写介质的氧化还原成像材料的光催化颜色切换的方法，所述方法包括：用紫外光照射具有光催化剂的氧化还原成像材料以产生所述氧化还原成像材料的光催化氧化还原反应。

附图简述

下文参考在附图中示出的例示性实施方案解释本公开内容。在附图中：

图1示出根据一个例示性实施方案在通过光催化剂纳米粒子光催化的氧化还原成像材料之间的可逆颜色切换的示意性说明；

图2示出通过高温水解反应制备的TiO₂纳米粒子的(a) TEM图像、(b) XRD和(c) UV-Vis光谱，且其中在(c)中的插图示出在玻璃小瓶中的TiO₂纳米晶体的浓缩水性分散体的数字照片；

图3示出普鲁士蓝纳米粒子的(a) TEM图像和(b) UV-Vis吸收光谱；

图4示出TiO₂纳米粒子/MB/HEC固态膜的制造，且其中(a) TiO₂纳米晶体/MB/HEC/EG的水性混合物，(b) 通过滴落流延TiO₂纳米粒子/MB/HEC/EG的水性混合物到玻璃或塑料基材上制备固态膜的示意说明，(c) 在玻璃基材上TiO₂纳米纳米粒子/MB/HEC/EG固态膜的数字照片。标度条：5mm；

图5示出(a) 在紫外光照射时使用光掩模在可重写纸上书写字母的示意图，和(b) 在可重写纸上书写字母的数字图像；