电致变色的基本原理及应用

[编辑:Cyx]  [发布时间:2015-08-27]  [锦桥纺织网]

　　（一）电致变色的简介
　　电致变色是指材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。
　　早在本世纪30年代就有关于电致变色的初步报道。
　　60年代，Pkat在研究有机燃料时，发现了电致变色现象并进行了研究。
　　70年代初期，S.K.Deb第一次研制出了一个薄膜电致变色器。
　　70年代中期到80年代初期，对电致变色现象的研究多局限于电子显示器件及其响应时间上。
　　在此期间，美国科学家C.M.Lampe和瑞典科学家C.G.Granqvist等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，称为灵巧窗——smart window。

　　电致变色材料的分类：
　　_无机电致变色材料
　　无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨，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
　　有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。
　　按照物质的状态可分为：薄膜型(固体)、析出型(固体和液体相互转化)和非析出型(溶液)。
 

　　
　　（二）电致变色的工作原理
　　电致变色材料在外加电场作用下发生电化学氧化还原反应，得失电子，使材料的颜色发生变化。
　　以NiO薄膜为例：
　　NiO薄膜电致变色机制
　　氧化镍由于结构的致密性(NaCl型结构)，上述的几种模型不能很好地解释NiO的变色过程，至今NiO薄膜的变色机理仍有很多争议。根据电解质的不同，NiO的变色过程中可能发生如下反应：
　　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)表示电致变色过程中插入/抽出薄膜的离子是OH^-，式(1-3)表示电致变色过程中插入/抽出薄膜的离子为H⁺，比较可知，两者在反应物和生成物上比较相似。式(1-4)表示在电致变色过程中传输的离子是半径较小的碱金属离子，如Li⁺离子，经过预先漂白过程的氧化镍薄膜变色机理通常与该式吻合。研究NiO薄膜电致变色性能的过程中，多以NaOH等碱溶液为电解质。NiO在水溶液中并不稳定，常会与表面的NiO反应生成Ni(OH)₂，同时，电解液中OH-离子的存在促进了Ni(OH)₂的生成。根据Bode提出的机理，薄膜变色主要是由通过Ni(OH)₂脱氢反应，生成了含有Ni³⁺的NiOOH所导致的，总反应如式(1-2)所示。这种反应机理被广泛接受，但至今没有找到直接的证据进行证明。电致变色反应初期，反应仅发生在薄膜的表层，生成的Ni³⁺离子极少，电致变色的效果不明显。随着反应的进行，NiO在碱溶液中的不稳定性导致Ni(OH)₂在薄膜内部逐渐生成，Ni(OH)₂进一步脱氢产生的Ni³⁺数量也进一步增加，着色渐渐趋于完成。NiOOH具有层状结构，与内层的NiO之间的结合力不好，因此容易在表面剥落，同时NiOOH在碱溶液中有微量的溶解。当活化NiO生成NiOOH的速率小于溶解和剥落的速率时，薄膜的变色效果开始下降。研究[22]表明NiO薄膜的在NaOH等碱性电解质中，电化学过程分为3个阶段：活化过程、稳定过程和降解过程。
　　（三）电致变色材料及器件的应用
　　(1)电致变色显示
　　电致变色材料具有双稳态的性能，用电致变色材料做成的电致变色显示器件不仅不需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目的。电致变色显示器与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高、制造成本低、工作温度范围宽、驱动电压低、色彩丰富等优点，在仪表显示、户外广告、静态显示等领域具有很大的应用前景。
　　目前，通过丝网印刷技术制备的电致变色显示器件已经在智能卡、智能标签等领域得到了应用。
　　(2)电致变色智能窗(Smart windows)
　　电致变色智能窗在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择地吸收或反射外界的热辐射和阻止内部热扩散，减少办公大楼和民用住宅等建筑物在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须耗费的大量能源。同时，也起到改善自然光照程度、防窥、防眩目等作用。可减少室外遮光设施、满足现在建筑物采光和美观的需要，解决现代不断恶化的城市光污染的问题。现在，美国也把电致变色玻璃作为节能玻璃开发项目的一个部分
　　此外，电致变色智能窗在飞机、汽车等方面也有很大的应用前景。
　　1986年，日产公司的T.Kase等首次推出用于汽车的ECD窗户，使调光玻璃成为电致变色材料最早实现商品化的产品。
　　1992年，日本丰田汽车公司中心研究院以聚苯胺和WO₃作为电致变色材料研制出用于汽车窗户的ECD并商品化。所研制出来的ECD在外加电压-1.8V到+1.6V范围内能有效地调节光透过率。
　　2002年，德国成功研制出应用在汽车智能玻璃窗上的导电高分子电致变色材料，在不同的电压作用下可呈现出蓝、绿、灰等不同的颜色，并首先在奔驰高等轿车上使用。
　　2004年，英国伦敦地标建筑——瑞士再保险大厦“小黄瓜”采用电致变色玻璃幕墙，成为世界上最节能的建筑。
　　2005年，意大利法拉利公司展出的“Ferrari Superamerica”敞篷跑车采用了利用电致变色(Electrochromic)技术，可对透过率进行5级调整。
　　2008年7月，波音787客机客舱窗玻璃淘汰了机械式舷窗遮阳板，采用了电致变色技术。
　　2009年，世界上首个太阳能电池驱动的电致变色玻璃幕墙在美国应用。
　　(3)汽车自动防眩目后视镜
　　强烈的太阳光及尾随汽车远光灯的强光照射会使汽车的后视镜产生令人眩目的反光，给道路交通造成很大的安全隐患。用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防眩目的目的。
　　如果汽车防眩目后视镜技术能与光伏器件联系起来，利用光伏器件对外来光的感应产生的电能来调节防眩目后视镜的变色，可达到节能、防污染的双重目的。
　　(4)电致变色眼镜、护目镜
　　电致变色智能眼镜——采用目前世界上正在兴起的电致变色技术和电子传感器技术，镜片感应到阳光的变化时，会自动在瞬间产生变化，眼光强，镜片就变暗，阳光弱，镜片就变亮，也可根据个人的喜好进行调节。
　　目前，国内外公司生产的电致变色智能眼镜已经用在了安全头盔护目镜、飞行员头盔、滑雪护目镜、军用防沙尘调光护目镜和时尚眼镜。具有防紫外、保护眼睛、调节眼睛舒适度等功能，得到了滑雪爱好者、机动车驾驶者、飞行员、军队和时尚爱好者的喜欢。  电致变色的基本原理及应用