stringtranslate.com

Электрохромизм

Окислительно-восстановительная пара для виологена . Вид 2+ слева бесцветен, а вид 1+ справа имеет темно-синий или красный цвет в зависимости от идентичности R. [1]

Электрохромизм — это явление, при котором материал меняет цвет или непрозрачность в ответ на электрическое воздействие . [2] Таким образом, умное окно, изготовленное из электрохромного материала, может блокировать определенные длины волн ультрафиолетового , видимого или (ближнего) инфракрасного света. Возможность контролировать пропускание ближнего инфракрасного света может повысить энергоэффективность здания , уменьшая количество энергии, необходимое для охлаждения летом и отопления зимой. [1] [3]

Поскольку изменение цвета является постоянным, и для осуществления изменения требуется только приложить энергию, электрохромные материалы используются для управления количеством света и тепла , проходящего через поверхность, чаще всего в «умных окнах». Одним из популярных приложений является автомобильная промышленность , где они используются для автоматического тонирования зеркал заднего вида в различных условиях освещения .

Принцип

Поперечное сечение электрохромной панели, меняющейся от прозрачной к непрозрачной. Напряжение подается на проводящие электроды, и ионы текут из слоя хранения ионов через электролит в электрохромный слой.

Явление электрохромизма встречается в некоторых оксидах переходных металлов, которые проводят как электроны , так и ионы , например, триоксид вольфрама (WO 3 ). [4] Эти оксиды имеют октаэдрические структуры кислорода, которые окружают центральный атом металла и соединены вместе по углам. Такое расположение создает трехмерную нанопористую структуру с «туннелями» между отдельными октаэдрическими сегментами. Эти туннели позволяют диссоциированным ионам проходить через вещество, когда они мотивированы электрическим полем. Обычными ионами, используемыми для этой цели, являются H + и Li + . [5] [6]

Электрическое поле обычно индуцируется двумя плоскими прозрачными электродами, которые заполняют слои, содержащие ионы. Когда напряжение подается на эти электроды, разница в заряде между двумя сторонами заставляет ионы проникать в оксид, поскольку электроны, уравновешивающие заряд, текут между электродами. Эти электроны изменяют валентность атомов металла в оксиде, уменьшая их заряд, как в следующем примере триоксида вольфрама: [7]

ВО
3+ н ( Н+
+ е − ) → Н
нВО
3

Это окислительно-восстановительная реакция, поскольку электроактивный металл принимает электроны от электродов, образуя полуэлемент. [7] Строго говоря, электрод как химическая единица включает в себя плоскую пластину, а также полупроводниковое вещество, находящееся в контакте с ней. Однако термин «электрод» часто относится только к плоской пластине(ам), более конкретно называемой электродом «подложкой». [8]

Фотоны, достигающие оксидного слоя, могут заставить электрон перемещаться между двумя близлежащими ионами металла. Энергия, предоставляемая фотоном, вызывает перемещение электрона, что в свою очередь вызывает оптическое поглощение фотона. [9] Например, следующий процесс происходит в оксиде вольфрама для двух ионов вольфрама a и b : [10]

Вт5+
а+ Вт6+
б+ фотон → W6+
а+ Вт5+
б

Электрохромные материалы

Электрохромные материалы, также известные как хромофоры , влияют на оптический цвет или непрозрачность поверхности при приложении напряжения. [7] [11] Среди оксидов металлов оксид вольфрама (WO 3 ) является наиболее широко изученным и известным электрохромным материалом. [12] Другие включают оксиды молибдена , [13] титана [14] и ниобия , [15] хотя они менее эффективны оптически.

Виологены — это класс органических материалов [16] [17] , которые интенсивно исследуются для электрохромных применений. [18] Эти 4,4′-бипиридиновые соединения демонстрируют обратимые изменения цвета от бесцветного до темно-синего цвета из-за окислительно-восстановительных реакций. Исследователи могут «настроить» их на темно-синий или интенсивно-зеленый. [11]

Как органические материалы, виологены рассматриваются как перспективные альтернативы для электронных приложений по сравнению с металлическими системами, которые, как правило, дороги, токсичны и проблематичны в переработке. [16] Возможные преимущества виологенов включают их оптическую контрастность, эффективность окраски, окислительно-восстановительную стабильность, простоту проектирования и потенциал для масштабирования для подготовки больших площадей. [18]

Виологены использовались с фенилендиамином корпорацией Gentex , которая выпустила на рынок автоматически затемняющиеся зеркала заднего вида [18] и интеллектуальные окна в самолетах Boeing 787. [11] Виологен использовался в сочетании с диоксидом титана (TiO 2 , также известным как титан) при создании небольших цифровых дисплеев. [19] [20] Различные проводящие полимеры также представляют интерес для дисплеев, включая полипиррол , PEDOT и полианилин . [21]

Синтез оксида вольфрама

Для синтеза оксида вольфрама использовались многие методы, включая химическое осаждение из паровой фазы (CVD), распыление , термическое испарение, пиролиз распыления (из пара или золь-геля ) и гидротермальный синтез (из жидкости). [22] В промышленности распыление является наиболее распространенным методом осаждения оксида вольфрама. Для синтеза материалов широко используется золь-гель процесс из-за его преимуществ простоты процесса, низкой стоимости и легкого контроля. [23]

Золь-гель процесс

В золь-гель процессе триоксида вольфрама WCl
6растворяется в спирте, а затем окисляется путем продувки O
2в его решение:

2WCl
6+ 3О
2→ 3WO
3+ 6Cl
2

Формирование H
2осуществляется путем реакции спирта и хлора, которая используется для восстановления WO
3для получения синего раствора HWO
3:

(Ч.)
3)
2СН–ОН + 3Cl
2→ (Кл
3С)
2=О + 4Н
2
2WO
3+ Н
2→ 2HWO
3

ВО
3Наночастицы также можно получить путем осаждения парапентагидрата вольфрамата аммония (NH
4)
10Вт
12О
41⋅5H
2O , или азотная кислота, HNO
3, в кислых условиях из водных растворов. [24]

Принцип работы электрохромных окон

Для функционального смарт-окна с электрохромными характеристиками необходимо несколько слоев. [3] Первый и последний слои — это прозрачное стекло из кремния ( SiO
2), два электрода необходимы для подачи напряжения, которое в свою очередь будет толкать (или тянуть) Li+
ионы из слоя хранения ионов через электролит в электрохромный материал (или наоборот). Приложение высокого напряжения (4 В или более) вытолкнет ионы лития в электрохромный слой, дезактивируя электрохромный материал. Теперь окно полностью прозрачно. При применении более низкого напряжения (например, 2,5 В) концентрация ионов лития в электрохромном слое уменьшается, тем самым активируя (N)IR-активный оксид вольфрама. [25] [3] Эта активация вызывает отражение инфракрасного света, тем самым снижая парниковый эффект , что, в свою очередь, уменьшает количество энергии, необходимое для кондиционирования воздуха. [26] В зависимости от используемого электрохромного материала, различные части спектра могут быть заблокированы, таким образом, УФ, видимый и ИК-свет могут независимо отражаться по желанию пользователя. [3]

Приложения

Электрохромное стекло установлено в зданиях

Было разработано несколько электрохромных устройств . Электрохромизм обычно используется в производстве электрохромных окон или « умного стекла », [3] [1] и в последнее время электрохромных дисплеев на бумажной основе в качестве систем защиты от подделок, интегрированных в упаковку. [27] Материалы NiO широко изучались в качестве противоэлектродов для дополнительных электрохромных устройств, особенно для умных окон. [28] [29]

Электрохроматическое окно на пассажирском самолете Boeing 787-8 Dreamliner авиакомпании ANA

В высокоскоростных поездах ICE 3 используются электрохромные стеклянные панели между пассажирским салоном и кабиной машиниста. Стандартный режим — прозрачный, и машинист может переключить его на матовый. [30] Электрохромные окна используются в Boeing 787 Dreamliner в виде затемняемой панели между внешним окном и внутренним пылезащитным чехлом, [31] что позволяет экипажу и пассажирам контролировать прозрачность окон. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Дальнейшее чтение

Ссылки

  1. ^ abc Mortimer, RJ (2011). "Электрохромные материалы". Annu. Rev. Mater. Res . Vol. 41. pp. 241–268. Bibcode :2011AnRMS..41..241M. doi :10.1146/annurev-matsci-062910-100344. PMID  12449538.
  2. ^ Чуа, Мин Хуэй; Тан, Тао; Онг, Кок Хоу; Нео, Вэй Тэн; Сюй, Цзянь Вэй (2019). «Глава 1 Введение в электрохромизм». Электрохромные интеллектуальные материалы: изготовление и применение. Серия «Интеллектуальные материалы». Королевское химическое общество. стр. 1–21. doi : 10.1039/9781788016667-00001. ISBN 978-1-78801-143-3. S2CID  139718051 . Получено 29 июля 2022 г. .
  3. ^ abcde Miller, Brittney J. (8 июня 2022 г.). «Как умные окна экономят энергию». Knowable Magazine . doi : 10.1146/knowable-060822-3 . Получено 15 июля 2022 г. .
  4. ^ Somani, Prakash R.; Radhakrishnan, S. (26 сентября 2001 г.). «Электрохромные материалы и устройства: настоящее и будущее» (PDF) . Materials Chemistry and Physics . 77 . Elsevier: 117–133. doi :10.1016/S0254-0584(01)00575-2. S2CID  36550231 . Получено 22 августа 2019 г. .
  5. ^ Гранквист, К. Г. (2015). «Фенестрация для снижения потребности в охлаждении зданий». Экологически эффективные материалы для снижения потребности в охлаждении зданий . Elsevier. С. 460–464. ISBN 978-1-78242-380-5.
  6. ^ Брус, Иржи; Чернек, Иржи; Урбанова, Мартина; Рохличек, Ян; Плехачек, Томаш (2020). «Перенос ионов лития в наноканалах гибких металлорганических каркасов с участием суперхаотропных гостей металлакарборанов: механизм ионной проводимости при атомном разрешении». ACS Appl. Mater. Интерфейсы . 12 (42): 47447–47456. doi : 10.1021/acsami.0c12293 . PMID  32975402. S2CID  221918602.
  7. ^ abc Монк, PMS; Мортимер, RJ; Россейнски, DR (2007). Электрохромизм и электрохромные устройства . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82269-5.
  8. ^ Справочное издание НАСА. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Отделение научной и технической информации. 1979. стр. x . Получено 29 июля 2022 г.
  9. ^ "Цвета ионов переходных металлов в водном растворе". Сложные проценты . 5 марта 2014 г. Получено 29 июля 2022 г.
  10. ^ Дипа, М.; Джоши, АГ; Шривастава, АК; Шивапрасад, СМ; Агнихотри, СА (2006). «Электрохромные наноструктурированные пленки оксида вольфрама, полученные методом золь-гель: структура и свойства интеркаляции». Журнал Электрохимического общества . 153 (5): C365. Bibcode : 2006JElS..153C.365D. CiteSeerX 10.1.1.949.7131 . doi : 10.1149/1.2184072. 
  11. ^ abc Wang, Yang; Runnerstrom, Evan L.; Milliron, Delia J. (7 июня 2016 г.). «Переключаемые материалы для интеллектуальных окон». Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering . 7 (1): 283–304. doi : 10.1146/annurev-chembioeng-080615-034647 . ISSN  1947-5438. PMID  27023660. Получено 29 июля 2022 г.
  12. ^ Кан, Фабьен; Куртуа, Ксавье; Дюпре, Даниэль (2 июня 2021 г.). «Катализаторы на основе вольфрама для экологических применений» (PDF) . Катализаторы . 11 (6): 703. doi : 10.3390/catal11060703 . Получено 29 июля 2022 г. .
  13. ^ Jinmin, Wang; Lijun, HOU; Dongyun, MA (20 мая 2021 г.). «Электрохромные материалы и устройства на основе оксида молибдена». Журнал неорганических материалов . 36 (5): 461. doi : 10.15541/jim20200416 . ISSN  1000-324X. S2CID  229203829.
  14. ^ Eyovge, Cavit; Deenen, Cristian S.; Ruiz-Zepeda, Francisco; Bartling, Stephan; Smirnov, Yury; Morales-Masis, Monica ; Susarrey-Arce, Arturo; Gardeniers, Han (27 августа 2021 г.). «Настройка цвета электрохромных нановолокнистых слоев TiO 2, загруженных наночастицами металла и оксида металла, для интеллектуальных цветных окон». ACS Applied Nano Materials . 4 (8): 8600–8610. doi :10.1021/acsanm.1c02231. ISSN  2574-0970. PMC 8406417. PMID 34485847  . 
  15. ^ Онг, Гэри К.; Саес Кабесас, Камила А.; Домингес, Мануэль Н.; Скьярво, Сюзанна Линн; Хо, Сонён; Миллирон, Делия Дж. (14 января 2020 г.). «Электрохромные наностержни оксида ниобия». Химия материалов . 32 (1): 468–475. doi : 10.1021/acs.chemmater.9b04061. ISSN  0897-4756. S2CID  213992620.
  16. ^ ab Striepe, Laura; Baumgartner, Thomas (1 декабря 2017 г.). «Виологены и их применение в качестве функциональных материалов». Chemistry - A European Journal . 23 (67): 16924–16940. doi :10.1002/chem.201703348. PMID  28815887. Получено 29 июля 2022 г.
  17. ^ Катиресан, Муругавел; Амвросий, Бебин; Ангулакшми, Натараджан; Мэтью, Дипа Элизабет; Суджата, Дхавамани; Стефан, Арул Мануэль (2021). «Виологены: универсальная органическая молекула для хранения энергии». Журнал химии материалов А. 9 (48): 27215–27233. дои : 10.1039/D1TA07201C. ISSN  2050-7488. S2CID  244388428 . Проверено 29 июля 2022 г.
  18. ^ abc Shah, Kwok Wei; Wang, Su-Xi; Soo, Debbie Xiang Yun; Xu, Jianwei (8 ноября 2019 г.). «Электрохромные материалы на основе виологена: от малых молекул, полимеров и композитов до их применения». Полимеры . 11 (11): 1839. doi : 10.3390/polym11111839 . PMC 6918392. PMID  31717323 . 
  19. ^ Де Маттеис, Валерия; Каннавале, Алессандро; Эйр, Убальдо (13 декабря 2020 г.). «Диоксид титана в хромогенных устройствах: синтез, токсикологические проблемы и методы изготовления» (PDF) . Прикладные науки . 10 (24): 8896. doi : 10.3390/app10248896 . Получено 29 июля 2022 г. .
  20. ^ Чжэн, Яньсин; Ван, Цзивэй; Тан, Синьцяо; Чжан, Лэй; Мэн, Фаньбао (1 марта 2020 г.). «Жидкокристаллическое поведение и сегнетоэлектрические свойства ионных жидких кристаллов на основе виологена». Журнал молекулярных жидкостей . 301 : 112369. doi : 10.1016/j.molliq.2019.112369. ISSN  0167-7322. S2CID  212774258.
  21. ^ Оуян, Цзяньюн (сентябрь 2021 г.). «Применение полимеров с собственной проводимостью в гибкой электронике». SmartMat . 2 (3): 263–285. doi : 10.1002/smm2.1059 . ISSN  2688-819X. S2CID  238642974.
  22. ^ Чжэн, Хайдонг; Оу, Цзянь Чжэнь; Страно, Майкл С .; Канер, Ричард Б.; Митчелл, Арнан; Калантар-заде, Курош (24.05.2011). «Наноструктурированный оксид вольфрама – свойства, синтез и применение». Advanced Functional Materials . 21 (12): 2175–2196. doi : 10.1002/adfm.201002477 . ISSN  1616-301X. S2CID  138637143.
  23. ^ Лай, Вэй Хао; Су, Йен Сюнь; Тео, Лэй Гайк; Цай, Юань Цунг; Хон, Мин Сюн (2007). «Синтез частиц оксида вольфрама методом химического осаждения». Операции с материалами . 48 (6): 1575–1577. дои : 10.2320/matertrans.mep2007057 . ISSN  1345-9678.
  24. ^ Supothina, Sitthisuntorn; Seeharaj, Panpailin; Yoriya, Sorachon; Sriyudthsak, Mana (август 2007 г.). «Синтез наночастиц оксида вольфрама методом кислотного осаждения». Ceramics International . 33 (6): 931–936. doi :10.1016/j.ceramint.2006.02.007. ISSN  0272-8842.
  25. ^ Вудфорд, Крис (23 апреля 2021 г.). «Как работают электрохромные (умные) окна?». Объясните это . Получено 29 июля 2022 г.
  26. ^ «Умные окна, защищающие от солнечного излучения, могут помочь сократить выбросы парниковых газов». Tech Xplore . 1 сентября 2021 г. Получено 29 июля 2022 г.
  27. ^ Глогич, Эдис; Футч, Ромен; Тено, Виктор; Иглесиас, Антуан; Джояр-Питио, Бландин; Депре, Гаэль; Ружье, Алин ; Зоннеманн, Гвидо (6 сентября 2021 г.). «Разработка экологически эффективной интеллектуальной электроники для защиты от подделок и обнаружения ударов на основе печатных чернил». ACS Sustainable Chemistry & Engineering . 9 (35): 11691–11704. doi :10.1021/acssuschemeng.1c02348. ISSN  2168-0485. S2CID  238705710.
  28. ^ Ислам, Шакирул М.; Эрнандес, Тайлер С.; МакГихи, Майкл Д .; Бариле, Кристофер Дж. (март 2019 г.). «Гибридные динамические окна с использованием обратимого электроосаждения металлов и вставки ионов» (PDF) . Nature Energy . 4 (3): 223–229. Bibcode : 2019NatEn...4..223I. doi : 10.1038/s41560-019-0332-3. OSTI  1688410. S2CID  186288929.
  29. ^ Чэнь, По-Вэнь; Чанг, Чэнь-Тэ; Ко, Тянь-Фу; Сюй, Шэн-Чуань; Ли, Кэ-Дин; У, Цзинь-Ю (21 мая 2020 г.). "Быстрый отклик дополнительного электрохромного устройства на основе электродов WO3/NiO". Scientific Reports . 10 (1): 8430. Bibcode :2020NatSR..10.8430C. doi :10.1038/s41598-020-65191-x. ISSN  2045-2322. PMC 7242463 . PMID  32439890 . Получено 29 июля 2022 г. . 
  30. ^ "Представляем поезда InterCity Express компании German Railways". Человек на месте 61. Получено 29 июля 2022 г.
  31. ^ "PPG будет производить окна салона с электронным затемнением для Boeing 787". Хантсвилл, Алабама: Military+Aerospace Electronics. 16 декабря 2005 г.

Внешние ссылки