Elektrokromisme - Electrochromism

Redox-par for et fiologen . 2+ arten til venstre er fargeløs, og 1+ arten til høyre er dypblå eller rød, avhengig av identiteten til R.

Elektrokromisme er fenomenet hvor fargen eller opasiteten til et materiale endres når en spenning påføres. Ved å gjøre dette kan et elektrokromisk smartvindu blokkere ultrafiolett , synlig eller (nær) infrarødt lys øyeblikkelig og på forespørsel. Evnen til å kontrollere overføring av nær infrarødt lys kan øke energieffektiviteten til en bygning, og redusere mengden energi som trengs for å kjøle seg ned om sommeren og varme om vinteren.

Siden fargeskiftet er vedvarende og energien bare trenger å brukes for å utføre en endring, brukes elektrokromiske materialer til å kontrollere mengden lys og varme som får passere gjennom en overflate, ofte smarte vinduer . En populær applikasjon er i bil industrien der den brukes til å automatisk tint sidespeil i ulike belysningsforhold.

Prinsipp

Tverrsnitt av et elektrokromt panel som skifter fra gjennomsiktig til ugjennomsiktig. En spenning påføres over de ledende elektrodene, og ioner strømmer fra ionelagringslaget, gjennom elektrolytten og inn i det elektrokromiske laget.

Fenomenet elektrokromisme forekommer i noen overgangsmetalloksider som leder både elektrisitet og ioner , for eksempel wolframtrioksid (WO 3 ). Disse oksidene har oktaedriske strukturer av oksygen som omgir et sentralt metallatom og er sammenføyd i hjørnene. Dette arrangementet resulterer i en tredimensjonal nanoporøs struktur med "tunneler" mellom individuelle oktaedriske segmenter. Disse tunnelene tillater dissosierte ioner å passere gjennom stoffet når de motiveres av et elektrisk felt. Vanlige ioner som brukes til dette formålet er H + og Li + .

Det elektriske feltet induseres vanligvis av to flate, gjennomsiktige elektroder som ligger mellom de ionholdige lagene. Når en spenning påføres over disse elektrodene, får ladningsforskjellen mellom de to sidene ionene til å trenge inn i oksidet når de ladningsbalanserende elektronene flyter mellom elektrodene. Disse elektronene endrer metallatomenes valens i oksidet, og reduserer ladningen, som i følgende eksempel på wolframtrioksid:

WO
3 + n ( H +
+ e - ) → H
n WO
3

Dette er en redoksreaksjon , siden det elektroaktive metallet aksepterer elektroner fra elektrodene og danner en halvcelle. Strengt tatt omfatter elektroden som en kjemisk enhet den flate platen så vel som det halvledende stoffet som er i kontakt med den. Imidlertid refererer begrepet elektrode ofte bare den flate platen (e), mer spesifikt kalt elektrodesubstratet .

Fotoner som når oksidlaget kan føre til at et elektron beveger seg mellom to nærliggende metallioner. Energien som tilføres av fotonet forårsaker bevegelse av et elektron som igjen forårsaker optisk absorpsjon av fotonet. For eksempel skjer følgende prosess i wolframoksyd for to wolframioner a og b :

W 5+
a + W. 6+
b + foton → W 6+
a + W. 5+
b

Elektrokromiske materialer

Elektrokromiske materialer, også kjent som kromoforer , påvirker den optiske fargen eller opasiteten til en overflate når en spenning påføres. Blant metalloksidene er wolframoksid (WO 3 ) det mest omfattende studerte og velkjente elektrokromiske materialet. Andre inkluderer molybden , titan og nioboksider , selv om disse er mindre effektive optisk.

For organiske materialer har fiogener blitt kommersialisert i liten skala. En rekke ledende polymerer er også av interesse, inkludert polypyrrol , PEDOT og polyanilin . Viologen brukes i forbindelse med titandioksid (TiO 2 , også kjent som titanoksyd) ved opprettelsen av små digitale skjermer. Det er håpet at disse skjermene vil erstatte skjermer med flytende krystall, ettersom fiologenet, som vanligvis er mørkeblått, gir en høyere kontrast enn den lyse hvite av titandioksid, og øker dermed synligheten til en skjerm.

Syntese av wolframoksid

Mange metoder har blitt brukt for å syntetisere wolframoksyd, inkludert kjemisk dampavsetning (CVD), sputtering , termisk fordampning , spraypyrolyse (fra en damp eller sol-gel ) og hydrotermisk syntese (fra en væske). I industrien er sputtering den vanligste metoden for avsetning av wolframoksid. For materialesyntese er sol-gel-prosessen mye brukt på grunn av fordelene med enkel prosess, lav kostnad og enkel kontroll.

Sol-gel prosess

I sol-gel-prosessen med wolframtrioksid , WCl
6 blir oppløst i alkohol og deretter oksidert ved å rense O
2 inn i løsningen:

2WCl
6 + 3O
2 → 3WO
3 + 6Cl
2

Dannelsen av H
2 utføres ved reaksjon av alkohol og klor som brukes til reduksjon av WO
3 for å oppnå en blå løsning av HWO
3 :

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

WO
3 nanopartikler kan også oppnås ved utfelling av ammoniumvolframat para pentahydrat, (NH
4 )
10 W
12 O
41 ⋅5H
2 O , eller salpetersyre, HNO
3 under sure betingelser fra vandige oppløsninger.

Arbeidsprinsipp for elektrokromiske vinduer

Se også: Elektrokromiske enheter § Enhetsstruktur

Det trengs syv lag for et funksjonelt smartvindu med elektrokromiske egenskaper. Den første og siste er gjennomsiktig glass laget av silika ( SiO
2 ), trengs de to elektrodene for å påføre spenningen, som igjen vil skyve (eller trekke) Li +
ioner fra ionelagringslaget, gjennom elektrolytten inn i det elektrokromiske materialet (eller omvendt). Bruk av høyspenning (4 V eller mer) vil skyve litiumioner inn i det elektrokromiske laget og deaktivere det elektrokromiske materialet. Vinduet er helt gjennomsiktig nå. Ved å påføre en lavere spenning (for eksempel 2,5 V) avtar konsentrasjonen av Li-ioner i det elektrokromiske laget, og aktiverer (N) IR-aktivt wolframoksid. Denne aktiveringen forårsaker refleksjon av infrarødt lys, og reduserer dermed drivhuseffekten , som igjen reduserer mengden energi som trengs for klimaanlegg. Avhengig av det elektrokromiske materialet som brukes, kan forskjellige deler av spekteret blokkeres, slik at UV, VIS og IR kan reflekteres uavhengig av kundens vilje.

applikasjoner

Se også: Elektrokromiske enheter § Applikasjoner
En mock-up av en elektrokromisk "virtuell persienne" på et flyhyttevindu

Flere elektrokromiske enheter er utviklet. Elektrokromisme brukes ofte i produksjonen av elektrokromiske vinduer eller " smart glass ", og mer nylig er elektrokromiske skjermer på papirunderlag integrert i emballasje mot forfalskningssystemer. NiO-materialer har blitt studert mye som motelektroder for komplementære elektrokromiske enheter, spesielt for smarte vinduer.

ICE 3 høyhastighetstog bruker elektrokromiske glasspaneler mellom kupeen og førerhuset. Standardmodusen er klar og kan byttes av føreren til frostet (gjennomsiktig), hovedsakelig for å skjule stygge kollisjoner fra passasjerens syn. Elektrokromiske vinduer brukes i Boeing 787 Dreamliner .

Se også

Videre lesning

  • Granqvist, CG (2002) [1995]. Håndbok for uorganiske elektrokromiske materialer . Elsevier . ISBN   978-0-08-053290-5 . CS1 maint: motløs parameter ( lenke )
  • Lin, Feng; Nordlund, Dennis; Weng, Tsu-Chien; et al. (2013). "Opprinnelsen til elektrokromisme i høypresterende nanokompositt nikkeloksid". ACS-anvendte materialer og grensesnitt . American Chemical Society . 5 (9): 3643–3649. doi : 10.1021 / am400105y . PMID   23547738 .
  • Moulki, Hakim; Park, Dae Hoon; Min, Bong-Ki; et al. (15. juli 2012). "Forbedrede elektrokromiske ytelser av NiO-baserte tynne filmer ved litiumtilsetning: Fra enkeltlag til enheter". Electrochimica Acta . 74 : 46–52. doi : 10.1016 / j.electacta.2012.03.123 .
  • Lin, Feng; Cheng, Jifang; Engtrakul, Chaiwat; et al. (2012). " In situ- krystallisering av høytytende WO3-baserte elektrokromiske materialer og viktigheten for holdbarhet og bytte kinetikk". Journal of Materials Chemistry . 22 (33): 16817–16823. doi : 10.1039 / c2jm32742b .
  • Deb, SK (1969). "Et nytt elektrofotografisk system". Anvendt optikk . 8 (S1): 192–195. Bibcode : 1969ApOpt ... 8S.192D . doi : 10.1364 / AO.8.S1.000192 . PMID   20076124 .
  • Deb, SK (1973). "Optiske og fotoelektriske egenskaper og fargesentre i tynne filmer av wolframoksid". Filosofisk magasin . 27 (4): 801–822. Bibcode : 1973PMag ... 27..801D . doi : 10.1080 / 14786437308227562 .
  • Gillaspie, Dane T .; Tenent, Robert C .; Dillon, Anne C. (2010). "Metalloksydfilmer for elektrokromiske applikasjoner: nåværende teknologi og fremtidige retninger". Journal of Materials Chemistry . 20 (43): 9585–9592. doi : 10.1039 / C0JM00604A .
  • Danine, A .; Cojocaru, L .; Faure, C .; et al. (20. mai 2014). "Romtemperatur UV-behandlet WO 3 tynne filmer for elektrokromiske enheter på papirunderlag". Electrochimica Acta . 129 : 113–119. doi : 10.1016 / j.electacta.2014.02.028 .
  • WO patent 2014135804 , Danine, Abdelaadim; Faure, Cyril & Campet, Guy et al., "Elektrokrom enhet bestående av tre eller fire lag", utstedt 12. september 2014  

Referanser

Eksterne linker