Электрохромизм - Electrochromism

Редокс пара для виологен. Вид 2+ слева является бесцветным, а вид 1+ справа темно-синим или красным, в зависимости от идентичности R.[1]

Электрохромизм это явление, когда цвет или непрозрачность материала изменяется, когда Напряжение применены. Таким образом, электрохромный умное окно может заблокировать ультрафиолетовый, видимый или (рядом) инфракрасный свет мгновенно и по запросу. Возможность контролировать пропускание ближнего инфракрасного света может увеличить энергоэффективность здания, уменьшая количество энергии, необходимой для охлаждения летом и тепла зимой.[1]

Поскольку изменение цвета является постоянным, а энергия требуется только для изменения цвета, электрохромные материалы используются для контроля количества свет и высокая температура разрешено проходить через поверхность, чаще всего умные окна. Одно популярное приложение находится в автомобиль промышленность где он используется для автоматического оттенок зеркала заднего вида в различных освещение условия.

Принцип

Поперечное сечение электрохромной панели меняется от прозрачной к непрозрачной. Напряжение прикладывается к проводящим электродам, и ионы текут из слоя накопления ионов через электролит в электрохромный слой.

Явление электрохромизма возникает в некоторых оксидах переходных металлов, которые проводят оба электричество и ионы, такие как триоксид вольфрама (WO3).[2] Эти оксиды имеют октаэдрическую структуру кислорода, которая окружает центральный атом металла и соединяется вместе по углам. Такое расположение приводит к трехмерной нанопористой структуре с «туннелями» между отдельными октаэдрическими сегментами.[3] Эти туннели позволяют диссоциированным ионам проходить через вещество, когда они возбуждаются электрическим полем. Обычными ионами, используемыми для этой цели, являются H+ и Ли+.

Электрическое поле обычно создается двумя плоскими прозрачными электродами, между которыми расположены слои, содержащие ионы. Когда на эти электроды подается напряжение, разница в заряде между двумя сторонами заставляет ионы проникать в оксид, поскольку электроны, уравновешивающие заряд, проходят между электродами. Эти электроны изменяют валентность атомов металла в оксиде, уменьшая их заряд, как в следующем примере триоксида вольфрама:[4]

WO
3 + п(ЧАС+
 + е−) → ЧАС
пWO
3

Это редокс реакции, так как электроактивный металл принимает электроны от электродов, образуя полуячейку.[4] Строго говоря электрод в качестве химического элемента включает плоскую пластину, а также контактирующее с ней полупроводниковое вещество. Однако срок электрод часто относится только к плоской пластине (пластинам), более конкретно называемой электродная подложка.

Фотоны, которые достигают оксидного слоя, могут заставить электрон перемещаться между двумя соседними ионами металла. Энергия, обеспечиваемая фотоном, вызывает движение электрона, которое, в свою очередь, вызывает оптическое поглощение фотона. Например, в оксиде вольфрама для двух ионов вольфрама происходит следующий процесс. а и б:

W5+
а + W6+
б + фотон → W6+
а + W5+
б

Электрохромные материалы

Электрохромные материалы, также известные как хромофоры, влияют на оптический цвет или непрозрачность поверхности при приложении напряжения.[4] Среди оксидов металлов оксид вольфрама (WO3) является наиболее изученным и известным электрохромным материалом. Другие включают молибден, титан и ниобий оксиды, хотя они оптически менее эффективны.

Для органические материалы, виологены коммерциализируются в небольших масштабах. Также представляют интерес различные проводящие полимеры, в том числе полипиррол, ПЕДОТ, и полианилин. Виологен используется вместе с оксид титана (TiO2, также известный как оксид титана) при создании небольших цифровых дисплеев. Есть надежда[кем? ] что эти дисплеи заменят жидкокристаллические дисплеи поскольку виологен, который обычно темно-синего цвета, обеспечивает более высокий контраст, чем ярко-белый диоксид титана, тем самым увеличивая видимость дисплея.

Синтез оксида вольфрама

Многие методы были использованы для синтеза оксида вольфрама, в том числе химическое осаждение из паровой фазы (CVD), распыление, термическое испарение, распылительный пиролиз (из пара или золь-гель ), и гидротермальный синтез (из жидкости).[5] В промышленности распыление является наиболее распространенным методом нанесения оксида вольфрама. Для синтеза материалов широко используется золь-гель процесс из-за его преимуществ, заключающихся в простоте процесса, низкой стоимости и легкости управления.[6]

Золь-гель процесс

В золь-гель процессе триоксида вольфрама, WCl
6 растворяется в спирте и затем окисляется продувкой О
2 в его решение:

2WCl
6 + 3O
2 → 3WO
3 + 6Cl
2

Формирование ЧАС
2 осуществляется за счет реакции спирта и хлора, который используется для восстановления WO
3 получить синий раствор HWO
3:

(CH
3)
2CH – OH + 3Cl
2 → (Cl
3C)
2= O + 4H
2
2WO
3 + ЧАС
2 → 2HWO
3

WO
3 наночастицы также могут быть получены осаждением парапентагидрата вольфрамата аммония, (NH
4)
10W
12О
41⋅5H
2О, или азотная кислота, HNO
3в кислых условиях из водных растворов.[7]

Принцип работы электрохромных окон

Смотрите также: Электрохромные устройства § Устройство устройства

Для функционального умного окна с электрохромными характеристиками необходимо семь слоев. Первый и последний - это прозрачное стекло из кремнезем (SiO
2), два электрода необходимы для подачи напряжения, которое, в свою очередь, будет толкать (или тянуть) Ли+
 ионы из слоя накопления ионов через электролит в электрохромный материал (или наоборот). Подача высокого напряжения (4 В или более) толкает ионы лития в электрохромный слой, деактивируя электрохромный материал. Окно теперь полностью прозрачное. При приложении более низкого напряжения (например, 2,5 В) концентрация ионов Li в электрохромном слое уменьшается, таким образом активируя (N) ИК-активный оксид вольфрама. Эта активация вызывает отражение инфракрасного света, тем самым снижая парниковый эффект, что, в свою очередь, снижает количество энергии, необходимой для кондиционирования воздуха. В зависимости от используемого электрохромного материала различные части спектра могут быть заблокированы, таким образом, по желанию заказчика УФ, видимая и инфракрасная области спектра могут независимо отражаться.

Приложения

Смотрите также: Электрохромные устройства § Приложения
Макет электрохромной "виртуальной шторки" на окне кабины самолета.

Несколько электрохромные устройства были разработаны. Электрохромизм обычно используется в производстве электрохромных окна или "умное стекло ", а в последнее время электрохромные дисплеи на бумажной основе как системы защиты от подделки, интегрированные в упаковку. Материалы NiO широко изучались в качестве противоэлектродов для дополнительных электрохромных устройств, особенно для интеллектуальных окон.

ДВС 3 В высокоскоростных поездах между пассажирским салоном и кабиной машиниста используются панели из электрохромного стекла. Стандартный режим ясен, и водитель может переключить его на матовый (полупрозрачный), в основном для того, чтобы скрыть неприглядные столкновения с глаз пассажиров. Электрохромные окна используются в Boeing 787 Dreamliner.

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Гранквист, К. (2002) [1995]. Справочник неорганических электрохромных материалов. Эльзевир. ISBN  978-0-08-053290-5.
  • Линь, Фэн; Нордлунд, Деннис; Вэн, Цу-Чиен; и другие. (2013). «Происхождение электрохромизма в высокопроизводительном нанокомпозитном оксиде никеля». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. Американское химическое общество. 5 (9): 3643–3649. Дои:10.1021 / am400105y. PMID  23547738.
  • Мулки, Хаким; Пак, Дэ Хун; Мин, Бон-Ки; и другие. (15 июля 2012 г.). «Улучшение электрохромных характеристик тонких пленок на основе NiO за счет добавления лития: от отдельных слоев к устройствам». Electrochimica Acta. 74: 46–52. Дои:10.1016 / j.electacta.2012.03.123.
  • Линь, Фэн; Ченг, Цзифан; Энгтракул, Чайват; и другие. (2012). "На месте кристаллизация высокоэффективных электрохромных материалов на основе WO3 и важность их прочности и кинетики переключения ». Журнал химии материалов. 22 (33): 16817–16823. Дои:10.1039 / c2jm32742b.
  • Деб, С. К. (1969). «Новая электрофотографическая система». Прикладная оптика. 8 (S1): 192–195. Bibcode:1969ApOpt ... 8S.192D. Дои:10.1364 / AO.8.S1.000192.
  • Деб, С. К. (1973). «Оптические и фотоэлектрические свойства и центры окраски в тонких пленках оксида вольфрама». Философский журнал. 27 (4): 801–822. Bibcode:1973PMag ... 27..801D. Дои:10.1080/14786437308227562.
  • Gillaspie, Dane T .; Tenent, Роберт С.; Диллон, Энн С. (2010). «Металлооксидные пленки для электрохромных применений: современные технологии и будущие направления». Журнал химии материалов. 20 (43): 9585–9592. Дои:10.1039 / C0JM00604A.
  • Данин, А .; Cojocaru, L .; Faure, C .; и другие. (20 мая 2014 г.). "WO, обработанный УФ-излучением комнатной температуры3 тонкие пленки для электрохромных устройств на бумажной основе ». Electrochimica Acta. 129: 113–119. Дои:10.1016 / j.electacta.2014.02.028.
  • Патент WO 2014135804, Данин, Абделаадим; Faure, Cyril & Campet, Guy et al., "Электрохромное устройство, состоящее из трех или четырех слоев", выпущено 12 сентября 2014 г. 

использованная литература

  1. ^ а б Мортимер, Р.Дж. (2011). «Электрохромные материалы». Анну. Rev. Mater. Res. 41. С. 241–268. Bibcode:2011AnRMS..41..241M. Дои:10.1146 / annurev-matsci-062910-100344.
  2. ^ Somani, Prakash R .; Радхакришнан, С. (26 сентября 2001 г.). «Электрохромные материалы и устройства: настоящее и будущее» (PDF). Химия и физика материалов. Эльзевир. 77: 117–133. Дои:10.1016 / S0254-0584 (01) 00575-2. Получено 22 августа 2019.
  3. ^ Гранквист, К. (2015). «Фенестрация для снижения потребности здания в охлаждении». Экоэффективные материалы для снижения потребностей в охлаждении зданий. Эльзевир. С. 460–464. ISBN  978-1-78242-380-5.
  4. ^ а б c Monk, P.M.S .; Mortimer, R.J .; Россейнский, Д. (2007). Электрохромизм и электрохромные устройства. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-82269-5.
  5. ^ Чжэн, Хайдун; Оу, Цзянь Чжэнь; Страна, Майкл С.; Канер, Ричард Б .; Митчелл, Арнан; Калантар-заде, Курош (24.05.2011). «Наноструктурированный оксид вольфрама - свойства, синтез и применение». Современные функциональные материалы. 21 (12): 2175–2196. Дои:10.1002 / adfm.201002477. ISSN  1616-301X.
  6. ^ Лай, Вэй Хао; Су, Йен Синь; Теох, Лэй Гайк; Цай, Юань Цунг; Хон, Мин Сюн (2007). «Синтез частиц оксида вольфрама методом химического осаждения». Материалы Сделки. 48 (6): 1575–1577. Дои:10.2320 / matertrans.mep2007057. ISSN  1345-9678.
  7. ^ Супотина, Ситтисунторн; Сихарадж, Панпайлин; Йория, Сорачон; Sriyudthsak, Mana (август 2007 г.). «Синтез наночастиц оксида вольфрама методом кислотного осаждения». Керамика Интернэшнл. 33 (6): 931–936. Дои:10.1016 / j.ceramint.2006.02.007. ISSN  0272-8842.

внешние ссылки