在材料工程中，微孔或孔隙網(wǎng)絡(luò)可以提高材料的儲能能力，用于智能窗戶的應(yīng)用。智能窗戶是可以在施加光、電壓或熱量時改變其透光特性的平臺。科學(xué)家可以使用電壓控制穿過材料的光的比例，從而在電荷轉(zhuǎn)移過程中從透明材料電切換到不透明材料。雖然此功能與能量的儲存和釋放有關(guān)，但相同的材料也可用于能量儲存。在一份新報告中，韓國浦項科技大學(xué)的 Jeon-Woo Kim 和一組科學(xué)家開發(fā)并改進(jìn)了由三氧化鎢(WO3)。他們使用蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝工藝來沉積帶有孔的三氧化鎢薄膜，與傳統(tǒng)的三氧化鎢薄膜相比，多孔結(jié)構(gòu)提高了材料的開關(guān)速度和電容。該工作現(xiàn)已發(fā)表在Nature Asia Materials 上。

光子學(xué)：智能窗戶和能量儲存

在這項工作中，Kim 等人。通過探索組成材料的介孔結(jié)構(gòu)，證明了電致變色超級電容器的超快響應(yīng)。電致變色設(shè)備 (ECD) 可以產(chǎn)生與電相對應(yīng)的可逆顏色變化，在智能窗戶、顯示器和軍用偽裝等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這些設(shè)備還可以控制透光率，為氣候適應(yīng)性節(jié)能建筑建造材料。ECD 的功能可以擴(kuò)展到稱為電致變色超級電容器(ECS) 的能量存儲設(shè)備。這種超級電容器作為下一代電化學(xué)元件越來越受到研究能夠改變自身的光學(xué)特性并儲存所提供的能量。因此，它們固有的光學(xué)特性可以直接揭示存儲在其中的實時能級。研究人員使用基于過渡金屬氧化物(如三氧化鎢)的電致變色發(fā)色團(tuán)開發(fā)了這種高性能設(shè)備，因為它們具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。這里開發(fā)的電致變色顯示器可以根據(jù)其儲存的能量水平改變顏色，該產(chǎn)品將作為下一代建筑和便攜式儲能智能窗材料具有廣泛的意義。

開發(fā)新材料并構(gòu)建設(shè)備

科學(xué)家們詳細(xì)介紹了使用四氫呋喃和聚苯乙烯嵌段聚環(huán)氧乙烷和乙醇基六氯化鎢(WCl 3 )的混合溶液作為三氧化鎢前體的制造過程。所得薄膜含有無機-有機復(fù)合物。然后他們煅燒復(fù)合材料以部分去除有機成分并將剩余部分轉(zhuǎn)化為無定形碳。無機組分經(jīng)過縮合形成三氧化鎢，所得復(fù)合膜含有碳/三氧化鎢結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊隨后將薄膜暴露在氧等離子體中以消除無定形碳，他們使用拉曼光譜. 使用掃描電子顯微鏡(SEM) 中，科學(xué)家支持所得三氧化鎢 (WO 3 ) 薄膜的介孔結(jié)構(gòu)，具有小孔(小于 30 nm)和約 250 nm 的厚度。

金等人。使用基于介孔 WO 3的電致變色超級電容器(表示為meso -WO 3 -ECs)的預(yù)期超快動力學(xué)，為了比較，他們還開發(fā)了一種緊湊型裝置，表示為使用 WO 3納米粒子的緊湊型-WO 3 -ECs 。此后他們記錄了紫外可見光透射光譜不同施加電壓下的電致變色行為，以了解這兩種設(shè)備的電致變色行為。當(dāng)施加的電壓增加時，由于設(shè)置中的氧化還原反應(yīng)，透射率在整個可見光波長范圍內(nèi)逐漸降低。然后，該團(tuán)隊可以通過施加 2.3 的電壓來恢復(fù)設(shè)備的透明漂白狀態(tài)。

比較設(shè)備功能

為了比較兩種設(shè)備的電致變色動態(tài)響應(yīng)，Kim 等人。記錄了 700 nm 和交替電位下的透射率曲線。的內(nèi)消旋-WO 3 -ECS器件顯示大的光學(xué)調(diào)制和在0.8秒超快著色和0.4秒的漂白時間，特別是速度比以前的報告。該團(tuán)隊沒有在相同條件下使用緊湊型-WO 3 -ECS獲得類似穩(wěn)定的著色和漂白狀態(tài)。結(jié)果取決于器件的表面積，其中與緊湊型-WO 3 -ECS相比，中觀-WO 3 -ECS 器件消耗的能量更少。

通常，電致變色超級電容器設(shè)備必須在快速響應(yīng)條件下保持循環(huán)穩(wěn)定性。因此，在著色和漂白之間快速切換條件下進(jìn)行 1000 次循環(huán)的額外測試表明，介孔器件如何保留其原始光調(diào)制的 85.5%，而緊湊型器件的光調(diào)制下降。該團(tuán)隊將介孔器件的出色穩(wěn)定性歸功于其具有大表面積的特征架構(gòu)，非常適合需要快速響應(yīng)的動態(tài)應(yīng)用。

電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)

金等人。接下來比較了器件的電荷轉(zhuǎn)移和離子動力學(xué)，結(jié)果表明接觸電阻較小，電荷轉(zhuǎn)移電阻較小，離子擴(kuò)散電阻較低。用于介孔器件。隨著功能電流密度的增加，這些器件顯示出顯著不同的電荷存儲能力。該工作表明，與緊湊型器件相比，介孔超級電容器更有希望形成具有出色長期穩(wěn)定性的快速充電和放電器件。然后，該團(tuán)隊直接查看了超級電容器存儲的能量水平。介孔器件的光學(xué)對比度沒有顯著降低，他們認(rèn)為這是由于其有效和快速的離子傳輸特性。對于緊湊型器件，光調(diào)制顯著降低，而電流密度增加，因此緊湊型器件由于離子傳輸效率低下和電荷轉(zhuǎn)移緩慢而無法實現(xiàn)高速率功能。

印刷和蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝

然后，該團(tuán)隊將打印和蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝相結(jié)合，開發(fā)出功能強大、儲能、電致變色的超級電容器顯示器。這種印刷工藝在蒸發(fā)后通過噴嘴產(chǎn)生膠束結(jié)構(gòu)，然后對其進(jìn)行順序煅燒和氧等離子體處理，以形成用于儲能應(yīng)用的圖案化介孔 WO 3器件。當(dāng)他們?yōu)樵O(shè)備充電時，圖案變成深藍(lán)色以指示充電狀態(tài)。為了證明其作用機制，該團(tuán)隊將設(shè)備連接到一個最初發(fā)光的白光發(fā)光二極管 (LED)，當(dāng)儲存的能量被消耗掉時，該設(shè)備會恢復(fù)到原來的透明狀態(tài)。

展望：下一代智能電子產(chǎn)品。

通過這種方式，Jeon-Woo Kim 及其同事開發(fā)了基于非晶介孔 WO 3薄膜的多功能電致變色超級電容器。與緊湊型電致變色超級電容器 ( compact -WO 3 -ECS) 相比，介孔電致變色超級電容器 ( meso -WO 3-ECS) 表現(xiàn)出優(yōu)越的性能?？茖W(xué)家們將此歸功于它的大表面積和無定形性質(zhì)。介孔器件迅速起到電化學(xué)反射顯示器和存儲電荷的作用。這種設(shè)置也可以為其他電子設(shè)備供電，因為設(shè)備上圖案的顏色強度表明了內(nèi)部存儲的能量水平。結(jié)果將具有形成下一代智能電子產(chǎn)品的巨大潛力。

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