МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ
М. В. ЛОМОНОСОВА
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра физики полимеров и кристаллов
РЕФЕРАТ
Рудова Андрея Андреевича
на тему:
" Электрохромные органические и неорганические материалы "
Оглавление.
- Введение:………………………………………………………………..3 Применение:……………………………………………………………4 Классификация:………………………………………………………...4
- Переходные оксиды металлов…………………………………4 Берлинская лазурь……………………………………………….5 Виологены………………………………………………………...6 Проводящие полимеры………………………………………….7
Введение:
Огромное количество химических материалов демонстрируют окислительно-восстановительные состояния с определенным электронным спектром поглощения. Те материалы, в которых при изменении окислительно-восстановительного состояния рождаются новые видимые области в спектре, называются - электрохромными. Иными словами электрохромы - материалы, которые изменяют свой цвет при восстановлении (присоединяя электроны) или окислении (отдавая электроны) под действием соответствующего внешнего напряжения.
Вообще, существуют различные внешние физические и химические стимулы вызывающие изменение цвета и пропускной способности материалов. В соответствии с этим все материалы делятся на четыре больших класса: электрохромных, фотохромных, термохромных и газохромных веществ.
Электрохромные материалы делятся на три основных типа. В данном растворе электролита материалы первого типа растворимы как в окисленном, так и в восстановленном состояниях. Например, метил виологен. Материалы второго типа растворимы лишь в одном из состояний и образуют твердую пленку на поверхности электрода, осуществляющего электронный обмен. Например, гептил виологен. Материалы третьего типа, такие как проводящие полимеры, в обоих окислительно-восстановительных состояниях являются твердыми. Их наносят на поверхность электрода и изучают. Два последних типа материалов обладают так называемой «оптической памятью». Т. е. для поддержания того состояния, в котором они находятся, не требуется диффузия заряда, что не характерно для первого типа. Те материалы, где доступно более двух окислительно-восстановительных состояний, могут окрашиваться в несколько различных, необычных цветов.
Применение:
Существуют как органические, так и неорганические электрохромные полимеры. Органические электрохромные технологии имеют огромный потенциал применения на различных рынках, по сравнению с неорганическими. На сегодняшний день она лидирует по:
а) оптическим характеристикам
б) сбережению энергии
в) простоте
г) безопасности
д) надежности
е) долговечности и т. д.
Полимеры, обладающие электрохромными свойствами, применяются в различных коммерческих отраслях. Например, производятся такие устройства как анти бликовые лобовые окна для автомобилей, солнечные очки, индикаторы, «умные» окна (меняют свою пропускную или отражательную способность). Они применяются в остеклении домов, офисов, космических кораблей и т. д.
Классификация электрохромных материалов:
Огромное число химических видов материалов проявляет электрохимические свойства. Переходные оксиды металлов, берлинская лазурь, виологены, проводящие полимеры(полипирол, политиофен, полианилин), металлополимеры.
Переходные оксиды металлов:
Хорошим примером данного класса является триоксид вольфрама. С тех пор, как его электрохромные свойства были найдены в 1969 году, он был широко изучен различными группами ученых. В окисленном состоянии он является прозрачной тонкой пленкой. При электрохимическом восстановлении проявляется электрохромный эффект. Несмотря на то, что все еще идут споры по поводу точных деталей механизма, принято, что внедрение и удаление электронов и металл катионов, играет ключевую роль.
В случае катионов Li+ реакция может быть записана:
При небольших x пленка окрашена в синий цвет, а при больших x она имеет либо красный, либо золотистый оттенок. Эти явления связаны с тем, что во-первых, вольфрам частично восстанавливается до степени окисления +5, а во-вторых, происходит присоединение катиона Li+ всё это приводит к изменениям ширины запрещенной зоны и как следствие, светопропускной способности полимера.
Покрытия на основе триоксида вольфрама, производятся различными способами, включающими термическое осаждение в вакууме, электрохимическое окисление вольфрама и другие.
Берлинская лазурь:
Этот класс веществ имеет общую формулу M’k[M’’(CN)6]l, где M’ и М”- переходные металлы с различной степенью окисления. Первые отчеты об их свойствах вызвали бурные исследования в этом направлении. Для получения пленок берлинской лазури пользуются электрохимическим восстановлением растворов, содержащих железо и ионы гексаноферрата. Восстановление желто-коричневого растворимого комплекса БЛ происходит за счет електронно-трансферного процесса:
Спектр БЛ представлен на рисунке. Интенсивно синий цвет в БЛ возникает благодаря межвалентному трансферу зарядов. Эта область в спектре находится при 690нм. При увеличении напряжения от 0,5В Основной пик БЛ смещается в сторону больших длин волн.
Виологены:
Все виологены имеют три окислителоно-восстановительных состояния. И наиболее стабильным является - дикатион. Электрохромизм появляется в следствии того, что радикал катионы имеют нелокализованный положительный заряд, цвет возникает из-за молекулярного электронного обмена. Подходящий выбор заместителей азота, (для достижения нужных орбитальных уровней энергии) может давать различные окраски радикал катиона. Простая алкильная группа, например, обеспечивает сине-фиолетовую окраску, в то время как ароматическая (арильная) группа придает зеленый оттенок радикал катиону. Они не очень подходят для производства дисплеев, т. к. способность электрохромных устройств, использующих короткую алкильную цепь виологенов в водном растворе, обесцвечиваться и закрашиваться была бы ниже, т. к. оба дикатионное и радикальное состояния очень растворимы.
Улучшения в электрохромных устройствах, основанных на виологенах, можно создать путем замедления скорости, при которой радикально катионный продукт электронного обмена диффундирует прочь от электрода в толщу раствора либо путем притягивания дикатиона к поверхности электрода, либо сосредотачивая виологенную группу в пределах полутвердого электролита.
Проводящие полимеры:
Химическое или электрохимическое окисление многочисленных резонансно-стабильных ароматических молекул, включающих пиррол, тиофен, анилин, фуран и др., создает новые электронные проводящие полимеры. Такие полимеры в окисленной форме – допированы противо-анионами и обладают делокализованной 
зонной структурой. Ширина запрещенной зоны между валентной областью и зоной проводимости определяет оптические свойства этих материалов. За процесс окисления отвечают поляроны, которые являются основными переносчиками заряда. Восстановление проводящих полимеров с сопутствующим выходом противоаниона снимает сопряжение и образует электрически непроводящее вещество.
Вывод:
В этих статьях было показано, что существует огромное число электрохромных материалов, с различными свойствами и характеристиками. Многие из них нашли свое применение в промышленности. В скором времени умные технологии войдут в нашу жизнь и станут неотъемлемой ее частью.
Умные технологии сделают вашу жизнь ярче!!!
Список терминов:
- give rise - возникать gane - присоединять promote - побуждать, стимулировать; активизировать, impart - давать, придавать (какое-л. качество) hue - краска, оттенок retard - замедлять, задерживать bulk - толща, масса possess [pǝ’zes] - обладать carrier [‘kǣriǝ] - переносчик concurrent - сопутствующий, действующий взаимосвязано
Список литературы:
Roger J. Mortimer, Electrochromic materialsDepartment of Chemistry, Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, UKLEI
Roger J. Mortimer*, Aubrey L. Dyer, John R. Reynolds Electrochromic organic and polymeric materials for display applications, University of Florida, Gainesville, FL, USA