在材料工程中，微孔或孔隙網(wǎng)絡(luò)可以提高材料的儲(chǔ)能能力，用于智能窗戶(hù)的應(yīng)用。智能窗戶(hù)是可以在施加光、電壓或熱量時(shí)改變其透光特性的平臺(tái)?？茖W(xué)家可以使用電壓控制穿過(guò)材料的光的比例，從而在電荷轉(zhuǎn)移過(guò)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(chǔ)存和釋放有關(guān)，但相同的材料也可用于能量?jī)?chǔ)存。在一份新報(bào)告中，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的 Jeon-Woo Kim 和一組科學(xué)家開(kāi)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(lái)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(kāi)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(hù)和能量?jī)?chǔ)存

在這項(xiàng)工作中，Kim 等人。通過(guò)探索組成材料的介孔結(jié)構(gòu)，證明了電致變色超級(jí)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(duì)應(yīng)的可逆顏色變化，在智能窗戶(hù)、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(chēng)為電致變色超級(jí)電容器(ECS) 的能量存儲(chǔ)設(shè)備。這種超級(jí)電容器作為下一代電化學(xué)元件越來(lái)越受到研究能夠改變自身的光學(xué)特性并儲(chǔ)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(chǔ)在其中的實(shí)時(shí)能級(jí)。研究人員使用基于過(guò)渡金屬氧化物(如三氧化鎢)的電致變色發(fā)色團(tuán)開(kāi)發(fā)了這種高性能設(shè)備，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的電化學(xué)性能。這里開(kāi)發(fā)的電致變色顯示器可以根據(jù)其儲(chǔ)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(chǔ)能智能窗材料具有廣泛的意義。

開(kāi)發(fā)新材料并構(gòu)建設(shè)備

科學(xué)家們?cè)敿?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(guò)程。所得薄膜含有無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合物。然后他們煅燒復(fù)合材料以部分去除有機(jī)成分并將剩余部分轉(zhuǎn)化為無(wú)定形碳。無(wú)機(jī)組分經(jīng)過(guò)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(duì)隨后將薄膜暴露在氧等離子體中以消除無(wú)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(jí)電容器(表示為meso -WO 3 -ECs)的預(yù)期超快動(dòng)力學(xué)，為了比較，他們還開(kāi)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(jiàn)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(shí)，由于設(shè)置中的氧化還原反應(yīng)，透射率在整個(gè)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)逐漸降低。然后，該團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)施加 2.3 的電壓來(lái)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(dòng)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(xiàn)。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(shí)間，特別是速度比以前的報(bào)告。該團(tuán)隊(duì)沒(méi)有在相同條件下使用緊湊型-WO 3 -ECS獲得類(lèi)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(jí)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(cè)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(duì)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(dòng)態(tài)應(yīng)用。

電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)

金等人。接下來(lái)比較了器件的電荷轉(zhuǎn)移和離子動(dòng)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(chǔ)能力。該工作表明，與緊湊型器件相比，介孔超級(jí)電容器更有希望形成具有出色長(zhǎng)期穩(wěn)定性的快速充電和放電器件。然后，該團(tuán)隊(duì)直接查看了超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量水平。介孔器件的光學(xué)對(duì)比度沒(méi)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(duì)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(wú)法實(shí)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(duì)將打印和蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大、儲(chǔ)能、電致變色的超級(jí)電容器顯示器。這種印刷工藝在蒸發(fā)后通過(guò)噴嘴產(chǎn)生膠束結(jié)構(gòu)，然后對(duì)其進(jìn)行順序煅燒和氧等離子體處理，以形成用于儲(chǔ)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(shí)，圖案變成深藍(lán)色以指示充電狀態(tài)。為了證明其作用機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)將設(shè)備連接到一個(gè)最初發(fā)光的白光發(fā)光二極管 (LED)，當(dāng)儲(chǔ)存的能量被消耗掉時(shí)，該設(shè)備會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的透明狀態(tài)。

展望：下一代智能電子產(chǎn)品。

通過(guò)這種方式，Jeon-Woo Kim 及其同事開(kāi)發(fā)了基于非晶介孔 WO 3薄膜的多功能電致變色超級(jí)電容器。與緊湊型電致變色超級(jí)電容器 ( compact -WO 3 -ECS) 相比，介孔電致變色超級(jí)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(wú)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(chǔ)電荷的作用。這種設(shè)置也可以為其他電子設(shè)備供電，因?yàn)樵O(shè)備上圖案的顏色強(qiáng)度表明了內(nèi)部存儲(chǔ)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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