電致變色的基本原理及應用

[編輯:Cyx]  [發(fā)布時間:2015-08-27]  [錦橋紡織網]

　?。ㄒ唬╇娭伦兩暮喗?br /> 　　電致變色是指材料的光學屬性（反射率、透過率、吸收率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現象，在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。具有電致變色性能的材料稱為電致變色材料，用電致變色材料做成的器件稱為電致變色器件。
　　早在本世紀30年代就有關于電致變色的初步報道。
　　60年代，Pkat在研究有機燃料時，發(fā)現了電致變色現象并進行了研究。
　　70年代初期，S.K.Deb第一次研制出了一個薄膜電致變色器。
　　70年代中期到80年代初期，對電致變色現象的研究多局限于電子顯示器件及其響應時間上。
　　在此期間，美國科學家C.M.Lampe和瑞典科學家C.G.Granqvist等人提出了以電致變色膜為基礎的一種新型節(jié)能窗，稱為靈巧窗——smart window。

　　電致變色材料的分類：
　　_無機電致變色材料
　　無機電致變色材料的典型代表是三氧化鎢，目前，以WO3為功能材料的電致變色器件已經產業(yè)化。
　　_有機電致變色材料
　　有機電致變色材料主要有聚噻吩類及其衍生物、紫羅精類、四硫富瓦烯、金屬酞菁類化合物等。以紫羅精類為功能材料的電致變色材料已經得到實際應用。
　　按照物質的狀態(tài)可分為：薄膜型(固體)、析出型(固體和液體相互轉化)和非析出型(溶液)。
 

　　
　?。ǘ╇娭伦兩墓ぷ髟?br /> 　　電致變色材料在外加電場作用下發(fā)生電化學氧化還原反應，得失電子，使材料的顏色發(fā)生變化。
　　以NiO薄膜為例：
　　NiO薄膜電致變色機制
　　氧化鎳由于結構的致密性(NaCl型結構)，上述的幾種模型不能很好地解釋NiO的變色過程，至今NiO薄膜的變色機理仍有很多爭議。根據電解質的不同，NiO的變色過程中可能發(fā)生如下反應：
　　NiO(bleached)+OH^-=NiOOH(colored)+e^-      （1-1）
　　Ni(OH)₂(bleached)+OH^-=NiOOH(colored)+e^-     （1-2）
　　Ni(OH)₂(bleached)=NiOOH(colored)+H⁺+e^-     （1-3）
　　Ni_1-xO(as-deposited)+yM⁺+ye^-=MyNi_1-xO(bleached)     （1-4）
　　MyNi_1-xO(bleached)=M_y-zNiO(colored)+zM⁺+ze     （1-5）
　　式(1-1)和式(1-2)表示電致變色過程中插入/抽出薄膜的離子是OH^-，式(1-3)表示電致變色過程中插入/抽出薄膜的離子為H⁺，比較可知，兩者在反應物和生成物上比較相似。式(1-4)表示在電致變色過程中傳輸的離子是半徑較小的堿金屬離子，如Li⁺離子，經過預先漂白過程的氧化鎳薄膜變色機理通常與該式吻合。研究NiO薄膜電致變色性能的過程中，多以NaOH等堿溶液為電解質。NiO在水溶液中并不穩(wěn)定，常會與表面的NiO反應生成Ni(OH)₂，同時，電解液中OH-離子的存在促進了Ni(OH)₂的生成。根據Bode提出的機理，薄膜變色主要是由通過Ni(OH)₂脫氫反應，生成了含有Ni³⁺的NiOOH所導致的，總反應如式(1-2)所示。這種反應機理被廣泛接受，但至今沒有找到直接的證據進行證明。電致變色反應初期，反應僅發(fā)生在薄膜的表層，生成的Ni³⁺離子極少，電致變色的效果不明顯。隨著反應的進行，NiO在堿溶液中的不穩(wěn)定性導致Ni(OH)₂在薄膜內部逐漸生成，Ni(OH)₂進一步脫氫產生的Ni³⁺數量也進一步增加，著色漸漸趨于完成。NiOOH具有層狀結構，與內層的NiO之間的結合力不好，因此容易在表面剝落，同時NiOOH在堿溶液中有微量的溶解。當活化NiO生成NiOOH的速率小于溶解和剝落的速率時，薄膜的變色效果開始下降。研究[22]表明NiO薄膜的在NaOH等堿性電解質中，電化學過程分為3個階段：活化過程、穩(wěn)定過程和降解過程。
　?。ㄈ╇娭伦兩牧霞捌骷膽?br /> 　　(1)電致變色顯示
　　電致變色材料具有雙穩(wěn)態(tài)的性能，用電致變色材料做成的電致變色顯示器件不僅不需要背光燈，而且顯示靜態(tài)圖象后，只要顯示內容不變化，就不會耗電，達到節(jié)能的目的。電致變色顯示器與其它顯示器相比具有無視盲角、對比度高、制造成本低、工作溫度范圍寬、驅動電壓低、色彩豐富等優(yōu)點，在儀表顯示、戶外廣告、靜態(tài)顯示等領域具有很大的應用前景。
　　目前，通過絲網印刷技術制備的電致變色顯示器件已經在智能卡、智能標簽等領域得到了應用。
　　(2)電致變色智能窗(Smart windows)
　　電致變色智能窗在電場作用下具有光吸收透過的可調節(jié)性，可選擇地吸收或反射外界的熱輻射和阻止內部熱擴散，減少辦公大樓和民用住宅等建筑物在夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須耗費的大量能源。同時，也起到改善自然光照程度、防窺、防眩目等作用?？蓽p少室外遮光設施、滿足現在建筑物采光和美觀的需要，解決現代不斷惡化的城市光污染的問題?，F在，美國也把電致變色玻璃作為節(jié)能玻璃開發(fā)項目的一個部分
　　此外，電致變色智能窗在飛機、汽車等方面也有很大的應用前景。
　　1986年，日產公司的T.Kase等首次推出用于汽車的ECD窗戶，使調光玻璃成為電致變色材料最早實現商品化的產品。
　　1992年，日本豐田汽車公司中心研究院以聚苯胺和WO₃作為電致變色材料研制出用于汽車窗戶的ECD并商品化。所研制出來的ECD在外加電壓-1.8V到+1.6V范圍內能有效地調節(jié)光透過率。
　　2002年，德國成功研制出應用在汽車智能玻璃窗上的導電高分子電致變色材料，在不同的電壓作用下可呈現出藍、綠、灰等不同的顏色，并首先在奔馳高等轎車上使用。
　　2004年，英國倫敦地標建筑——瑞士再保險大廈“小黃瓜”采用電致變色玻璃幕墻，成為世界上最節(jié)能的建筑。
　　2005年，意大利法拉利公司展出的“Ferrari Superamerica”敞篷跑車采用了利用電致變色(Electrochromic)技術，可對透過率進行5級調整。
　　2008年7月，波音787客機客艙窗玻璃淘汰了機械式舷窗遮陽板，采用了電致變色技術。
　　2009年，世界上首個太陽能電池驅動的電致變色玻璃幕墻在美國應用。
　　(3)汽車自動防眩目后視鏡
　　強烈的太陽光及尾隨汽車遠光燈的強光照射會使汽車的后視鏡產生令人眩目的反光，給道路交通造成很大的安全隱患。用電致變色材料制備的自動防眩目后視鏡，可以通過電子感應系統(tǒng)，根據外來光的強度調節(jié)反射光的強度，達到防眩目的目的。
　　如果汽車防眩目后視鏡技術能與光伏器件聯系起來，利用光伏器件對外來光的感應產生的電能來調節(jié)防眩目后視鏡的變色，可達到節(jié)能、防污染的雙重目的。
　　(4)電致變色眼鏡、護目鏡
　　電致變色智能眼鏡——采用目前世界上正在興起的電致變色技術和電子傳感器技術，鏡片感應到陽光的變化時，會自動在瞬間產生變化，眼光強，鏡片就變暗，陽光弱，鏡片就變亮，也可根據個人的喜好進行調節(jié)。
　　目前，國內外公司生產的電致變色智能眼鏡已經用在了安全頭盔護目鏡、飛行員頭盔、滑雪護目鏡、軍用防沙塵調光護目鏡和時尚眼鏡。具有防紫外、保護眼睛、調節(jié)眼睛舒適度等功能，得到了滑雪愛好者、機動車駕駛者、飛行員、軍隊和時尚愛好者的喜歡。  電致變色的基本原理及應用