電致變色材料
關注創建者：山海不可平 創建時間：2018-12-25
電致變色材料的實例教程
電致變色
近年來，出現了這么一種新型材料——電致變色材料。科學家指出，電致變色材料是目前最有研究和應用前景的智能材料之一。而科學家也曾預言，智能材料的大規模應用將使得材料科學的發展發生革命性變化。那么，這智能材料是怎樣的存在呢？智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料。
為什么科學家會認為電致變色材料是目前最有應用前景的智能材料之一呢？因為電致變色材料具有特殊的性能和誘人的應用前景。這極具應用前途的材料到底有哪些應用？
一般情況下，大家比較經常接觸的是——智能節能窗（智能玻璃）、信息顯示器、汽車防眩目后視鏡、信息儲存器等。
汽車防眩目后視鏡
在國防和軍事領域，電致變色材料也是有著很廣泛的應用市場。例如，電致變色材料因具有紅外發射可調特性（在中遠紅外光譜）可制成新型紅外發射器件。據專家介紹，該種新型發射器可以應用于衛星、武器裝備的紅外隱身等諸多領域。所以，你說電致變色材料這么一塊“香餑餑”怎會不迅速成為各國研究人員們爭相研究的領域呢？
衛星
那么，什么是電致變色材料？電致變色材料是電致變色器件中最核心的材料。該種材料在外加電場的作用下會發生穩定、可逆的顏色變化現象。其中，電致變色器件一般由透明導電層、電致變色層、電解質、離子存儲層和透明導電層組成。
而目前被進行各種研究且被研究得比較多的電致變色材料主要有3大類——無機電致變色材料、有機電致變色材料和有機金屬螯合物材料。其中，無機電致變色材料表現出結構和性能穩定好等優點，使之成為目前研究最為廣泛和成熟的材料。而無機電致變色材料的研究種類也比較多，也是可以分為3類：陰極電致變色材料、陽極電致變色材料和復合電致變色材料。以下，我們主要了解一下陰極電致變色材料。
什么是陰極電致變色材料？
展開 電致變色材料的顏色和透過率等光學屬性可以在外電場調控下發生可逆變化。利用這種原理開發的功能器件在節能建筑、信息顯示、國防工業等領域具有廣泛的應用前景。例如，在辦公大樓的幕墻或者飛機舷窗安裝電致變色器件，可以起到自動調節紅外輻射和自然光照明的作用。然而，傳統電致變色器件的內部結構較為復雜，不僅增加了生產成本，而且嚴重限制了設計的靈活性。
圖1 離子水凝膠電致變色器件
近日，國際知名期刊《Materials Horizons》刊登了題為“Multifunctional hydrogel enables extremely simplified electrochromic devices for smart windows and ionic writing boards”的研究論文。研究人員通過將多功能離子水凝膠與氧化鎢薄膜復合，設計了一種結構精巧的新型電致變色器件。在周期性偏壓下，這種基于離子水凝膠的電致變色裝置能夠表現出顯著的顏色變化和高達70％的透射率調制（如圖1所示）。與傳統電致變色器件相比，響應速度和著色效率均明顯提高。
圖2 離子書寫板演示
此外，論文中首次展示了一種基于電致變色原理的可擦寫離子書寫板（如圖2所示）。該設計突破了電致變色顯示器件不可擦寫的局限，驅動電壓低至~1 V。這項工作對下一代電致變色器件的設計與研發具有重要的意義，同時也為離子水凝膠的應用提供了一種全新的思路。
論文第一作者為西安交通大學材料學院青年教師方華靖博士。南方科技大學汪宏教授和方華靖博士為通訊作者，合作單位還包括美國賓州州立大學。該研究得到了國家自然科學基金、博新計劃和西安交通大學分析測試共享中心的支持。
展開 也正是基于鈉離子的多方面優勢，研究人員也希望將鈉離子應用到同樣基于氧化還原反應的電致變色器件中去。顧名思義，電致變色是指材料光學屬性在外加電場的作用下發生可逆的變化的現象，宏觀表現為顏色和透明度的可逆變化，已經廣泛應用于智能窗、汽車后視鏡、智能顯示等領域。但是由于Na+離子半徑明顯大于通用的Li+離子，導致其在傳統電致變色電極如氧化鎢中傳輸變得緩慢，從而極大地降低了電致變色材料的性能和循環壽命，限制了鈉離子電化學體系在電致變色領域的應用。
【成果簡介】
近日，東華大學王宏志研究團隊與美國佐治亞理工王剛博士(現美國西北大學博士后)合作，將含有變色基團的有機配體組裝成MOF電極，利用該類MOF結構中具有較大尺寸的一維離子通道，實現了鈉離子的快速脫嵌，從而使得電致變色電極在Na+有機電解液中達到了極高的變色速度和變色效率。相關成果以題為“Ion-Transport Design for High-Performance Na+-Based Electrochromics”發表在ACS Nano上。文章的共同第一作者為東華大學李然博士生和李克睿博士(現新加坡國立大學博士后)。
【圖文導讀】
圖一. 兩種MOF的結構分析。
(a, b, c, d)兩種MOF的SEM圖像；
(e)兩種MOF的XRD圖；
(f, g)兩種MOF的晶體結構示意圖；
(h)兩種MOF的N2等溫吸脫附曲線；
圖二. MOF電極在不同電解液中電化學性能和離子傳輸示意圖。
(a)MOF電極在不同電解液中的電化學阻抗圖；
(b)MOF電極在Na+電解液中的循環伏安曲線；
(c)不同離子在MOF電極中的離子傳輸效率；
(d) MOF電極在不同電解液中離子傳輸機制圖；
圖3. MOF電極在不同電解液中的電致變色性能。
展開 介紹
已經開發出越來越多的材料顯示出多功能顯色特性（如電致變色、電致熒光變色或光致變色），但迄今為止，很少有材料同時顯示所有這三種特性。具有電化學和光學活性的材料對包括智能窗戶、照明、傳感、能源生產和保護在內的各種應用具有吸引力。這對于對適應性或環境響應式外墻感興趣的建筑開發商尤其有吸引力。實現由經濟高效、易于合成的材料制成的系統將使它們易于在各種領域中使用。
摘要
最近，
北卡羅來納大學夏洛特分校
Michael G. Walter
教授
團隊
使用
水溶性顯色噻唑
(5,4-d) 噻唑 (TTz) 染料開發
了低成本器件
，這些染料在三個領域顯示出高器件性能：電致變色、電熒光變色和光致變色，并且都包含
在高熒光水性聚乙烯中酒精
/硼砂水凝膠裝置。這些染料結合了剛性的雜環 Ttz 結構，可以開發具有優異可逆性和穩定循環 250 次循環的器件。含 Ttz 水凝膠的裝置在光照下也表現出光致變色，可以通過電化學循環回到無色狀態。此外，將光致變色與電致變色耦合降低了可比較的電致變色顏色變化所需的功率。最后，
含有水凝膠的裝置還顯示出電熒光變色，其中熒光可以關閉 > 90%
。
相關論文以題為
Obtaining Reversible, High Contrast Electrochromism, Electrofluorochromism, and Photochromism in an Aqueous Hydrogel Device Using Chromogenic Thiazolothiazoles
發表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
展開 大阪大學的一支研究團隊，剛剛結合了一種“高透明紙”（納米纖維素材質，可見光透射率90%）和一種由纖維素紙漿支撐的傳統“白紙”——從而打造出了高透明度的電極和高能見度的白色電解液、并且生產出了基于紙張的電致變色（EC）顯示屏。電致變色裝置的原理是，當在EC電極上施加電壓時，離子或電子會進入電解液中的EC層（離子溶液），從而表現出染色或脫色的特性。
（研究配圖1：大阪大學研制出新型“紙張”電解質）
傳統電池變色裝置的已知問題是——（1）為了防止電解質的泄露，就必須做好密封，但薄膜的制作很是困難；（2）隨著電解液的蒸發，EC的性能也會有所衰減。
好消息是，由HirotakaKoga帶領的研究團隊，已經通過氫鍵，成功地紙張纖維素的表面上，打造出了一種支持非易失性電解液的新型紙質電解質。
其名叫1-丁基-3-甲基咪唑-4-氟硼酸根離子液體化合物（BF4），此外在由納米纖維素制成的透明紙的整個表面上，均勻地涂覆了帶有電致變色功能的導電聚合物（PEDOT:PSS）。
（研究配圖2：傳統電致變色顯示屏與新型紙質EC方案的對比）
通過一種類似三明治的夾層結構，研究團隊開發出了一種EC紙裝置。這種電致變色方案不僅解決了之前提到的那些問題，同時擁有紙張的柔韌、易彎曲特性。
此外，一種具有高光學發射系數的白色紙電解質，也提高了EC顯示屏的可見性。研究團隊稱之可兼顧傳統的書寫介質、以及電致顯示特性。
（研究配圖3：功能分子在高性能復合材料的開發中發揮了重要的作用）
結合成功開發的其它基于紙質的電子器件，比如內存、晶體管、天線、以及超級電容，我們就可以制造出新型的“紙質電子圖書”。
展開 
電致變色材料的相關專題、標簽、搜索
電致變色材料的最新內容
8月14日晚，小米新品發布會在北京國家會議中心舉行。本次發布會新品齊聚，全新仿生四足機器人CyberDog2作為發布會“One more thing”驚喜登場，CyberDog2電致變色版更是獲得了大量的關注。
全新發布的CyberDog2在繼承前代產品優勢的基礎上，進行了全面的技術升級，更智能、更仿生。它配備了新一代小米自研高性能電機與全新升級的19組傳感器系統，在仿生動作和交互體驗上達到新高度
圖 3 動態輻射制冷材料
基于氧化鎢(WO3)、聚苯胺(PANI)和石墨烯等具有可見光-紅外電致變色性能材料的器件通常為多層結構，由夾在兩個電極間通過電解液分隔的光學和電化學活性層組成，依靠改變外加電位差產生離子或電子的插入/提取，從而改變材料在中紅外和“大氣窗口”波段的光學性質。WO3 在質子/鋰離子插入下從透明/絕緣體轉變為藍色/金屬狀態。
作為環境刺激響應材料的重要組成一員，光敏感材料的諸多關鍵性質在外界光照作用下能夠發生可控且往復的變化，包括光學性質（顏色、折射率、透射率）、力學性質（模量、硬度、粘彈性）、電學性質（導電性、介電性）等。相比于其它環境刺激源來說，例如溫度、pH、電場、光照、磁場、氣體、水等，光作為刺激源其優勢主要體現在兩個方面：其一，光照在時間與空間上精確可控
溶液處理量子點（QD）白光發光二極管（WLEDs）作為下一代大面積環境照明、柔性光子學和全彩顯示背光技術中的可行光源，受到了廣泛的關注。由于其溶液可加工性、色溫可調、量子效率高、光穩定性好等優點，人們對高性能量子點WLEDs的材料和器件結構設計進行了大量的研究。目前，對WLEDs的研究主要集中在使用量子點作為光致發光顏色轉換器或使用純窄線寬的QD-LED來補充白光光譜，這既不節能，也難以實現視覺舒
介紹
已經開發出越來越多的材料顯示出多功能顯色特性（如電致變色、電致熒光變色或光致變色），但迄今為止，很少有材料同時顯示所有這三種特性。具有電化學和光學活性的材料對包括智能窗戶、照明、傳感、能源生產和保護在內的各種應用具有吸引力。這對于對適應性或環境響應式外墻感興趣的建筑開發商尤其有吸引力。實現由經濟高效、易于合成的材料制成的系統將使它們易于在各種領域中使用。
CINNO
天津大學Mark Olson課題組設計并制備了一系列在固態下同時具有光致變色和水致變色特性的熒光復合材料。該復合材料由熒光分子與纖維素嵌合而成，在不同的相對環境濕度（RH）下表現出可逆的固態熒光水致變色的現象。而可逆的固態光致變色現象則是由于紫外燈的照射下纖維素穩定的自由基陽離子的產生。
包括光致變色、水致變色
近年來開發的智能窗戶材料，包括金屬氧化物和有機熱致變色/電致變色復合材料等，則只能在窄的可見光譜范圍內調節透明度，同時仍然受到力學脆弱性和復雜加工要求的限制。
量子阱、電致變色染料、相變材料等能夠動態調控紅外輻射，然而，在調諧過程中通常需要持續耗電，且響應速度慢、可調范圍窄、柔韌性差。此外，通過調控溫度可實現紅外隱身，然而隔熱毯等材料一般都比較厚重，易導致熱量積聚。可見，有效地隱藏目標，使其對熱紅外探測器不可見仍然面臨巨大挑戰。
而目前被進行各種研究且被研究得比較多的電致變色材料主要有3大類——無機電致變色材料、有機電致變色材料和有機金屬螯合物材料。其中，無機電致變色材料表現出結構和性能穩定好等優點，使之成為目前研究最為廣泛和成熟的材料。而無機電致變色材料的研究種類也比較多，也是可以分為3類：陰極電致變色材料、陽極電致變色材料和復合電致變色材料。以下，我們主要了解一下陰極電致變色材料。
什么是陰極電致變色材料？
