Wikipedia

Elektrokromism

Elektrokromism är ett fenomen där ett material visar förändringar i färg eller opacitet som svar på en elektrisk stimulans.[2] På så sätt kan ett smart fönster tillverkat av ett elektrokromt material blockera specifika våglängder av ultraviolett, synligt eller (nära) infrarött ljus. Förmågan att kontrollera transmittansen av nära-infrarött ljus kan öka energieffektiviteten i en byggnad, vilket minskar mängden energi som behövs för att kyla under sommaren och värma under vintern.[1][3]

Redox-par för en viologen. 2+-formen till vänster är färglös, och 1+-formen till höger är djupblå eller röd, beroende på identiteten på R.[1]

Eftersom färgförändringen är ihållande och energi bara behöver tillföras för att åstadkomma en förändring, används elektrokroma material för att kontrollera mängden ljus och värme som tillåts passera genom en yta, oftast "smarta fönster". En populär tillämpning är inom bilindustrin där den används för att automatiskt tona backspeglar i olika ljusförhållanden.

Princip redigera

 
Tvärsnitt av en elektrokrom panel som ändras från transparent till ogenomskinlig. En spänning appliceras över de ledande elektroderna och joner strömmar från jonlagringsskiktet, genom elektrolyten och in i det elektrokroma skiktet.

Fenomenet elektrokromism förekommer i vissa övergångsmetalloxider som leder både elektroner och joner, såsom volframtrioxid (WO3).[4] Dessa oxider har oktaedriska strukturer av syre som omger en central metallatom och är sammanfogade i hörnen. Detta arrangemang ger en tredimensionell nanoporös struktur med "tunnlar" mellan enskilda oktaedriska segment. Dessa tunnlar tillåter dissocierade joner att passera genom ämnet när de drivs av ett elektriskt fält. Vanliga joner som används för detta ändamål är H+ och Li+.[5] [6]

Det elektriska fältet induceras typiskt av två platta, genomskinliga elektroder som lägger ihop de joninnehållande skikten. När en spänning appliceras över dessa elektroder, gör skillnaden i laddning mellan de två sidorna att jonerna penetrerar oxiden när de laddningsbalanserande elektronerna strömmar mellan elektroderna. Dessa elektroner ändrar valensen hos metallatomerna i oxiden, vilket minskar deras laddning, som i följande exempel på volframtrioxid:[7]

WO3 + nH+ + e−) → HnWO3

Detta är en redoxreaktion eftersom den elektroaktiva metallen tar emot elektroner från elektroderna och bildar en halvcell.[7] Strängt taget omfattar elektroden som en kemisk enhet såväl den plana plattan som den halvledande substansen i kontakt med den. Emellertid hänvisar termen "elektrod" ofta till endast den eller de plana plattorna, mer specifikt kallad "elektrodsubstratet".[8]

Fotoner som når oxidskiktet kan få en elektron att röra sig mellan två närliggande metalljoner. Energin som tillhandahålls av fotonen orsakar rörelsen av en elektron som i sin tur orsakar optisk absorption av fotonen.[9] Till exempel sker följande process i volframoxid för två volframjoner a och b:[10]

Wa5+ + Wb6+ + foton → Wa6+ + Wb5+

Elektrokroma material redigera

Elektrokroma material, även kända som kromoforer, påverkar den optiska färgen eller opaciteten på en yta när en spänning appliceras.[7][11] Bland metalloxiderna är volframoxid (WO3) det mest omfattande studerade och välkända elektrokroma materialet.[12] Andra är molybden,[13] titan[14] och nioboxider,[15] även om dessa är mindre effektiva optiskt.

Viologener är en klass av organiska material[16][17] som undersöks intensivt för elektrokroma tillämpningar.[18] Dessa 4,4'-bipyridinföreningar uppvisar reversibla färgförändringar mellan en färglös och en djupblå färg på grund av redoxreaktioner. Forskare kan "stämma" dem till en djupblå eller intensiv grön.[11]

Som organiskt material ses viologener som lovande alternativ för elektroniska applikationer, jämfört med metallbaserade system, som tenderar att vara dyra, giftiga och ett problem att återvinna.[16] Möjliga fördelar med viologener är deras optiska kontrast, färgningseffektivitet, redoxstabilitet, enkla design och potential att skala upp för beredning av stora ytor.[18]

Viologener har använts med fenlyendiamin av Gentex Corporation, som har kommersialiserat automatiskt avbländande backspeglar[18] och smarta fönster i Boeing 787-flygplan.[11] Viologener har använts tillsammans med titandioxid (TiO2, även känd som titaniumoxid) i skapandet av små digitala skärmar.[19][20] En mängd olika ledande polymerer är också av intresse för bildskärmar, inklusive polypyrrol, PEDOT och polyanilin.[21]

Arbetsprincip för elektrokroma fönster redigera

 
Elektrokroma glas installerade i byggnader

Flera lager behövs för ett funktionellt smart fönster med elektrokroma egenskaper.[3] Den första och sista är genomskinligt glas tillverkat av kiseldioxid (SiO2) och de två elektroderna behövs för att applicera spänningen, som i sin tur trycker (eller drar) Li+-joner från jonlagringsskiktet, genom elektrolyten in i det elektrokroma materialet (eller vice versa). Genom att applicera en högre spänning (4 V eller mer) kommer litiumjoner att tryckas in i det elektrokroma skiktet, vilket inaktiverar det elektrokroma materialet och fönstret blir helt genomskinligt. Genom att applicera en lägre spänning (2,5 V till exempel) minskar koncentrationen av litiumjoner i det elektrokroma lagret, vilket aktiverar (N)IR-aktiv volframoxid.[22][3] Denna aktivering orsakar reflektion av infrarött ljus, vilket minskar växthuseffekten, vilket i sin tur minskar mängden energi som behövs för luftkonditionering.[23] Beroende på vilket elektrokromt material som används kan olika delar av spektrumet blockeras, på så sätt kan UV-, synligt och IR-ljus reflekteras oberoende av en användares påverkan.[3]

Se även redigera

Referenser redigera

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Electrchromism, 11 december 2023.

Noter redigera

  1. ^ [a b] Mortimer, R.J. (2011). ”Electrochromic Materials”. Annu. Rev. Mater. Res.. "41". ss. 241–268. doi:10.1146/annurev-matsci-062910-100344. Bibcode: 2011AnRMS..41..241M. 
  2. ^ Chua, Ming Hui; Tang, Tao; Ong, Kok Haw; Neo, Wei Teng; Xu, Jian Wei (2019). ”Chapter 1 Introduction to Electrochromism” (på engelska). Electrochromic Smart Materials: Fabrication and Applications. Smart Materials Series. Royal Society of Chemistry. Sid. 1–21. doi:10.1039/9781788016667-00001. ISBN 978-1-78801-143-3. https://pubs.rsc.org/en/content/chapterhtml/2019/bk9781788011433-00001?isbn=978-1-78801-143-3&sercode=bk. Läst 29 juli 2022. 
  3. ^ [a b c d] Miller, Brittney J. (8 June 2022). ”How smart windows save energy”. Knowable Magazine. doi:10.1146/knowable-060822-3. https://knowablemagazine.org/article/technology/2022/how-smart-windows-save-energy. Läst 15 juli 2022. 
  4. ^ Somani, Prakash R.; Radhakrishnan, S. (26 September 2001). ”Electrochromic materials and devices: present and future”. Materials Chemistry and Physics (Elsevier) 77: sid. 117–133. doi:10.1016/S0254-0584(01)00575-2. http://nathan.instras.com/documentDB/paper-134.pdf. Läst 22 augusti 2019. 
  5. ^ Granqvist, C.G. (2015). Eco-efficient Materials for Mitigating Building Cooling Needs. Elsevier. Sid. 460–464. ISBN 978-1-78242-380-5. 
  6. ^ Brus, Jiri; Czernek, Jiri; Urbanova, Martina; Rohlíček, Jan; Plecháček, Tomáš (2020). ”Transferring Lithium Ions in the Nanochannels of Flexible Metal–Organic Frameworks Featuring Superchaotropic Metallacarborane Guests: Mechanism of Ionic Conductivity at Atomic Resolution”. ACS Appl. Mater. Interfaces 12 (42): sid. 47447–47456. doi:10.1021/acsami.0c12293. PMID 32975402. 
  7. ^ [a b c] Monk, P.M.S.; Mortimer, R.J.; Rosseinsky, D.R. (2007). Electrochromism and Electrochromic Devices. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82269-5. 
  8. ^ (på engelska) NASA Reference Publication. National Aeronautics and Space Administration, Scientific and Technical Information Branch. 1979. Sid. x. https://books.google.com/books?id=-lgjAAAAMAAJ&pg=PA13. Läst 29 juli 2022. 
  9. ^ ”Colours of Transition Metal Ions in Aqueous Solution”. Compound Interest. 5 March 2014. https://www.compoundchem.com/2014/03/05/colours-of-transition-metal-ions-in-aqueous-solution/. 
  10. ^ Deepa, M.; Joshi, A. G.; Srivastava, A. K.; Shivaprasad, S. M.; Agnihotry, S. A. (2006). ”Electrochromic Nanostructured Tungsten Oxide Films by Sol-gel: Structure and Intercalation Properties”. Journal of the Electrochemical Society 153 (5): sid. C365. doi:10.1149/1.2184072. Bibcode: 2006JElS..153C.365D. 
  11. ^ [a b c] Wang, Yang; Runnerstrom, Evan L.; Milliron, Delia J. (7 June 2016). ”Switchable Materials for Smart Windows” (på engelska). Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering 7 (1): sid. 283–304. doi:10.1146/annurev-chembioeng-080615-034647. ISSN 1947-5438. PMID 27023660. https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-chembioeng-080615-034647. Läst 29 juli 2022. 
  12. ^ Can, Fabien; Courtois, Xavier; Duprez, Daniel (2 June 2021). ”Tungsten-Based Catalysts for Environmental Applications”. Catalysts 11 (6): sid. 703. doi:10.3390/catal11060703. https://mdpi-res.com/d_attachment/catalysts/catalysts-11-00703/article_deploy/catalysts-11-00703-v2.pdf?version=1623117112. Läst 29 juli 2022. 
  13. ^ Jinmin, Wang; Lijun, H. O. U.; Dongyun, M. A. (20 May 2021). ”Molybdenum Oxide Electrochromic Materials and Devices” (på engelska). Journal of Inorganic Materials 36 (5): sid. 461. doi:10.15541/jim20200416. ISSN 1000-324X. 
  14. ^ Eyovge, Cavit; Deenen, Cristian S.; Ruiz-Zepeda, Francisco; Bartling, Stephan; Smirnov, Yury; Morales-Masis, Monica; Susarrey-Arce, Arturo; Gardeniers, Han (27 August 2021). ”Color Tuning of Electrochromic TiO 2 Nanofibrous Layers Loaded with Metal and Metal Oxide Nanoparticles for Smart Colored Windows” (på engelska). ACS Applied Nano Materials 4 (8): sid. 8600–8610. doi:10.1021/acsanm.1c02231. ISSN 2574-0970. PMID 34485847. PMC: 8406417. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02231. 
  15. ^ Ong, Gary K.; Saez Cabezas, Camila A.; Dominguez, Manuel N.; Skjærvø, Susanne Linn; Heo, Sungyeon; Milliron, Delia J. (14 January 2020). ”Electrochromic Niobium Oxide Nanorods” (på engelska). Chemistry of Materials 32 (1): sid. 468–475. doi:10.1021/acs.chemmater.9b04061. ISSN 0897-4756. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b04061. 
  16. ^ [a b] Striepe, Laura; Baumgartner, Thomas (1 December 2017). ”Viologens and Their Application as Functional Materials” (på engelska). Chemistry - A European Journal 23 (67): sid. 16924–16940. doi:10.1002/chem.201703348. PMID 28815887. https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201703348. Läst 29 juli 2022. 
  17. ^ Kathiresan, Murugavel; Ambrose, Bebin; Angulakshmi, Natarajan; Mathew, Deepa Elizabeth; Sujatha, Dhavamani; Stephan, Arul Manuel (2021). ”Viologens: a versatile organic molecule for energy storage applications” (på engelska). Journal of Materials Chemistry A 9 (48): sid. 27215–27233. doi:10.1039/D1TA07201C. ISSN 2050-7488. https://doi.org/10.1039/D1TA07201C. Läst 29 juli 2022. 
  18. ^ [a b c] Shah, Kwok Wei; Wang, Su-Xi; Soo, Debbie Xiang Yun; Xu, Jianwei (8 November 2019). ”Viologen-Based Electrochromic Materials: From Small Molecules, Polymers and Composites to Their Applications”. Polymers 11 (11): sid. 1839. doi:10.3390/polym11111839. PMID 31717323. 
  19. ^ De Matteis, Valeria; Cannavale, Alessandro; Ayr, Ubaldo (13 December 2020). ”Titanium Dioxide in Chromogenic Devices: Synthesis, Toxicological Issues, and Fabrication Methods”. Applied Sciences 10 (24): sid. 8896. doi:10.3390/app10248896. https://mdpi-res.com/d_attachment/applsci/applsci-10-08896/article_deploy/applsci-10-08896.pdf?version=1607851327. Läst 29 juli 2022. 
  20. ^ Zheng, Yanxing; Wang, Jiwei; Tang, Xinqiao; Zhang, Lei; Meng, Fanbao (1 March 2020). ”Liquid-crystalline behavior and ferroelectric property of viologen-based ionic liquid crystals” (på engelska). Journal of Molecular Liquids 301: sid. 112369. doi:10.1016/j.molliq.2019.112369. ISSN 0167-7322. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167732219339893. 
  21. ^ Ouyang, Jianyong (September 2021). ”Application of intrinsically conducting polymers in flexible electronics” (på engelska). SmartMat 2 (3): sid. 263–285. doi:10.1002/smm2.1059. ISSN 2688-819X. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smm2.1059. 
  22. ^ Woodford, Chris (April 23, 2021). ”How do electrochromic (smart glass) windows work?”. Explain that Stuff. https://www.explainthatstuff.com/electrochromic-windows.html. 
  23. ^ ”Smart windows that protect against solar radiation can help reduce greenhouse gases” (på engelska). Tech Xplore. September 1, 2021. https://techxplore.com/news/2021-09-smart-windows-solar-greenhouse-gases.html. 

Vidare läsning redigera

Externa länkar redigera

Hämtad från ”https://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Elektrokromism&oldid=54487062”