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电致变色的材料都有什么


发布时间:

2022-08-08 17:29

电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。三氧化钨是无机电致变色材料的典型代表。目前,以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。有机电致变色材料主要包括聚噻吩及其衍生物、紫精、四硫富瓦烯、金属酞菁等。以紫精为功能材料的电致变色材料已在实践中得到应用。

电致变色层是电致变色器件的核心层,也是变色反应的生成层。电致变色材料根据种类可分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。

无机电致变色材料

大多数无机电致变色材料是过渡金属氧化物或其衍生物,首次发现的电致变色现象是无定形WO3薄膜的变色。过渡金属和电子层不稳定,存在不成对的单电子。过渡金属元素的离子一般都有颜色,基态和激发态的能量差很小。在一定条件下,价态可逆变化,形成混合价离子共存状态。随着离子价态和浓度的变化,颜色也会随之变化,这就是过渡金属氧化物具有电致变色能力的原因。常见的无机变色材料根据氧化还原原理的不同,可细分为阳极着色材料和阴极着色材料。

阴极变色材料主要是ⅵ B族金属氧化物。作为阴极变色材料的典型代表,WO3薄膜首次被发现并得到了详细的研究。WO3变色过程复杂,其机理一直存在争议。双注入模型,即福南模型,目前被广泛接受和应用。根据该模型,WO3薄膜的电致变色机理是由于电场的作用,阳离子和电子注入WO3晶格间隙后产生W被认为是其变色的原因。

阳极变色材料主要是VIII和Pt金属的氧化物或水合物。其中,氧化镍因其着色/漂白范围大、循环寿命长、原料丰富、价格适宜等优点,成为研究最多的阳极变色材料之一。氧化镍是一种具有NaCl结构的3d过渡金属氧化物,晶体中会出现镍空位或过氧化物,导致氧化镍成为P型半导体。因此,氧化镍晶体中经常出现空位、缺陷和掺杂。双注入模型不能很好地解释氧化镍的变色过程,氧化镍薄膜的变色机理仍有争议。

有机电致变色材料

有机电致变色薄膜有很多种,可分为两类:有机小分子电致变色材料和导电聚合物电致变色材料。

有机小分子变色材料的典型代表是紫精化合物,在氧化还原过程中会变色,因此属于氧化还原化合物。一般情况下,中性紫精化合物有其自身的结构特殊性。分子内禁止电子迁移,所以颜色较浅。随着外加电位的增加,中性结构逐渐转变为部分氧化态,最终形成稳定的二价阳离子形式,无色。由于分子间强烈的光电转移,单价阳离子的颜色最深。

导电聚合物电致变色材料是20世纪70年代新发展起来的。自从白川英树发现导电聚乙炔以来,它发展很快。自20世纪80年代以来,随着掺杂小分子的共轭聚合物表现出高导电性和电致变色现象,导电聚合物作为电致变色材料得到了迅速发展。这种材料因其成本低、光学质量好、颜色转换快、循环可逆性好而受到重视。导电聚合物变色的原理主要是其掺杂过程,掺杂的本质是离子在聚合物链中的迁移和迁出,伴随着电子的得失,所以导电聚合物的掺杂过程是一个氧化还原可逆过程。在掺杂过程中,引发了分子导带和价带之间的跃迁,包括极性能级、孤子能级、双极能级和电子能级的跃迁,使得光谱发生了不同的变化。掺杂程度是通过控制一定范围内的电压来决定的,导致在可见光区的吸收不同,呈现颜色变化,出现电致变色现象。

 

电致变色