stringtranslate.com

electrocromismo

Pareja redox para un viológeno . La especie 2+ de la izquierda es incolora y la especie 1+ de la derecha es de color azul intenso o rojo, según la identidad de R. [1]

El electrocromismo es un fenómeno en el que un material muestra cambios de color u opacidad en respuesta a un estímulo eléctrico . [2] De esta manera, una ventana inteligente hecha de un material electrocrómico puede bloquear longitudes de onda específicas de luz ultravioleta , visible o infrarroja (casi) . La capacidad de controlar la transmitancia de la luz infrarroja cercana puede aumentar la eficiencia energética de un edificio, reduciendo la cantidad de energía necesaria para enfriar durante el verano y calentar durante el invierno. [1] [3]

Como el cambio de color es persistente y sólo es necesario aplicar energía para efectuar un cambio, se utilizan materiales electrocrómicos para controlar la cantidad de luz y calor que se permite pasar a través de una superficie, más comúnmente "ventanas inteligentes". Una aplicación popular es la industria del automóvil , donde se utiliza para teñir automáticamente los espejos retrovisores en diversas condiciones de iluminación .

Principio

Sección transversal de un panel electrocrómico que cambia de transparente a opaco. Se aplica un voltaje a través de los electrodos conductores y los iones fluyen desde la capa de almacenamiento de iones, a través del electrolito y hacia la capa electrocrómica.

El fenómeno del electrocromismo ocurre en algunos óxidos de metales de transición que conducen tanto electrones como iones , como el trióxido de tungsteno (WO 3 ). [4] Estos óxidos tienen estructuras octaédricas de oxígeno que rodean un átomo metálico central y están unidas en las esquinas. Esta disposición produce una estructura nanoporosa tridimensional con "túneles" entre segmentos octaédricos individuales. Estos túneles permiten que los iones disociados atraviesen la sustancia cuando son motivados por un campo eléctrico. Los iones comunes utilizados para este propósito son H + y Li + . [5] [6]

El campo eléctrico suele ser inducido por dos electrodos planos y transparentes que intercalan las capas que contienen iones. Cuando se aplica un voltaje a través de estos electrodos, la diferencia de carga entre los dos lados hace que los iones penetren en el óxido a medida que los electrones de equilibrio de carga fluyen entre los electrodos. Estos electrones cambian la valencia de los átomos metálicos en el óxido, reduciendo su carga, como en el siguiente ejemplo de trióxido de tungsteno: [7]

WO
3+ norte ( H+
+ mi − ) → H
norteWO
3

Esta es una reacción redox ya que el metal electroactivo acepta electrones de los electrodos, formando una media celda. [7] Estrictamente hablando, el electrodo como unidad química comprende la placa plana así como la sustancia semiconductora en contacto con ella. Sin embargo, el término "electrodo" a menudo se refiere sólo a la(s) placa(s) plana(s), más específicamente denominada "sustrato" del electrodo. [8]

Los fotones que alcanzan la capa de óxido pueden hacer que un electrón se mueva entre dos iones metálicos cercanos. La energía proporcionada por el fotón provoca el movimiento de un electrón que a su vez provoca la absorción óptica del fotón. [9] Por ejemplo, el siguiente proceso ocurre en óxido de tungsteno para dos iones de tungsteno a y b : [10]

W.5+
un+ W6+
segundo+ fotón → W6+
un+ W5+
segundo

Materiales electrocrómicos

Los materiales electrocrómicos, también conocidos como cromóforos , afectan el color óptico o la opacidad de una superficie cuando se aplica un voltaje. [7] [11] Entre los óxidos metálicos, el óxido de tungsteno (WO 3 ) es el material electrocrómico más estudiado y conocido. [12] Otros incluyen molibdeno , [13] titanio [14] y óxidos de niobio , [15] aunque estos son menos efectivos ópticamente.

Los viológenos son una clase de materiales orgánicos [16] [17] que están siendo investigados intensamente para aplicaciones electrocrómicas. [18] Estos compuestos de 4,4′-bipiridina muestran cambios de color reversibles entre un color incoloro y un azul intenso debido a reacciones redox. Los investigadores pueden "sintonizarlos" con un azul profundo o un verde intenso. [11]

Como materiales orgánicos, los viológenos se consideran alternativas prometedoras para aplicaciones electrónicas, en comparación con los sistemas basados ​​en metales, que tienden a ser costosos, tóxicos y un problema de reciclaje. [16] Las posibles ventajas de los viológenos incluyen su contraste óptico, eficiencia de coloración, estabilidad redox, facilidad de diseño y potencial de ampliación para la preparación de áreas grandes. [18]

Gentex Corporation ha utilizado viológenos con fenilendiamina , que ha comercializado espejos retrovisores con atenuación automática [18] y ventanas inteligentes en aviones Boeing 787. [11] Viologen se ha utilizado junto con dióxido de titanio (TiO 2 , también conocido como titania) en la creación de pequeñas pantallas digitales. [19] [20] Una variedad de polímeros conductores también son de interés para pantallas, incluidos el polipirrol , PEDOT y polianilina . [21]

Síntesis de óxido de tungsteno.

Se han utilizado muchos métodos para sintetizar óxido de tungsteno, incluida la deposición química de vapor (CVD), la pulverización catódica , la evaporación térmica, la pirólisis por pulverización (a partir de un vapor o sol-gel ) y la síntesis hidrotermal (a partir de un líquido). [22] En la industria, la pulverización catódica es el método más común para la deposición de óxido de tungsteno. Para la síntesis de materiales, el proceso sol-gel se utiliza ampliamente debido a sus ventajas de proceso simple, bajo costo y fácil control. [23]

Proceso sol-gel

En el proceso sol-gel del trióxido de tungsteno, WCl
6se disuelve en alcohol y luego se oxida purgando O
2en su solución:

2WCl
6+ 3O
2→ 3WO
3+ 6Cl
2

La formación de H
2Se realiza mediante la reacción del alcohol y el cloro que se utiliza para la reducción del WO.
3para obtener una solución azul de HWO
3:

(CH
3)
2CH-OH + 3Cl
2→ (Cl
3C)
2=O + 4H
2
2WO
3+ H
2→ 2HWO
3

WO
3Las nanopartículas también se pueden obtener mediante precipitación de tungstato de amonio para pentahidrato, (NH
4)
10W.
12oh
41⋅5H
2O , o ácido nítrico, HNO
3, en condiciones ácidas a partir de soluciones acuosas. [24]

Principio de funcionamiento de las ventanas electrocrómicas.

Se necesitan múltiples capas para una ventana inteligente funcional con características electrocrómicas. [3] El primero y el último son vidrio transparente hecho de sílice ( SiO
2), los dos electrodos son necesarios para aplicar el voltaje, que a su vez empujará (o tirará) Li+
iones desde la capa de almacenamiento de iones, a través del electrolito hacia el material electrocrómico (o viceversa). La aplicación de alto voltaje (4 V o más) empujará los iones de litio hacia la capa electrocrómica, desactivando el material electrocrómico. La ventana es completamente transparente ahora. Al aplicar un voltaje más bajo (2,5 V, por ejemplo), la concentración de iones de Li en la capa electrocrómica disminuye, activando así el óxido de tungsteno activo (N)IR. [25] [3] Esta activación provoca el reflejo de la luz infrarroja, lo que reduce el efecto invernadero , lo que a su vez reduce la cantidad de energía necesaria para el aire acondicionado. [26] Dependiendo del material electrocrómico utilizado, se pueden bloquear diferentes partes del espectro, de esta manera la luz UV, visible e IR se pueden reflejar de forma independiente a voluntad del usuario. [3]

Aplicaciones

Vidrio electrocrómico instalado en edificios

Se han desarrollado varios dispositivos electrocrómicos . El electrocromismo se utiliza comúnmente en la producción de ventanas electrocrómicas o " vidrios inteligentes ", [3] [1] y, más recientemente, pantallas electrocrómicas sobre sustrato de papel como sistemas antifalsificación integrados en los envases. [27] Los materiales de NiO se han estudiado ampliamente como contraelectrodos para dispositivos electrocrómicos complementarios, particularmente para ventanas inteligentes. [28] [29]

Ventana electrocromática en un avión de pasajeros ANA Boeing 787-8 Dreamliner

Los trenes de alta velocidad ICE 3 utilizan paneles de vidrio electrocrómico entre el habitáculo y la cabina del conductor. El modo estándar es claro y el conductor puede cambiarlo a esmerilado. [30] En el Boeing 787 Dreamliner se utilizan ventanas electrocrómicas , lo que permite a la tripulación y a los pasajeros controlar la transparencia de las ventanas y evitar el deslumbramiento. [31]

Ver también

Otras lecturas

Referencias

  1. ^ abc Mortimer, RJ (2011). "Materiales electrocrómicos". Año. Rev. Mater. Res . vol. 41. págs. 241–268. Código Bib : 2011AnRMS..41..241M. doi :10.1146/annurev-matsci-062910-100344. PMID  12449538.
  2. ^ Chua, Minghui; Tang, Tao; Ong, Kok Haw; Neo, Wei Teng; Xu, Jian Wei (2019). "Capítulo 1 Introducción al electrocromismo". Materiales inteligentes electrocrómicos: fabricación y aplicaciones. Serie Materiales inteligentes. Real Sociedad de Química. págs. 1–21. doi :10.1039/9781788016667-00001. ISBN 978-1-78801-143-3. S2CID  139718051 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  3. ^ abcde Miller, Brittney J. (8 de junio de 2022). "Cómo las ventanas inteligentes ahorran energía". Revista Conocible . doi : 10.1146/conocible-060822-3 . Consultado el 15 de julio de 2022 .
  4. ^ Somani, Prakash R.; Radhakrishnan, S. (26 de septiembre de 2001). «Materiales y dispositivos electrocrómicos: presente y futuro» (PDF) . Química y Física de Materiales . 77 . Elsevier: 117-133. doi :10.1016/S0254-0584(01)00575-2. S2CID  36550231 . Consultado el 22 de agosto de 2019 .
  5. ^ Granqvist, CG (2015). "Fenestración para reducir las necesidades de refrigeración de edificios". Materiales ecoeficientes para mitigar las necesidades de refrigeración de los edificios . Elsevier. págs. 460–464. ISBN 978-1-78242-380-5.
  6. ^ Brus, Jiri; Czernek, Jiri; Urbanova, Martina; Rohlíček, enero; Plecháček, Tomáš (2020). "Transferencia de iones de litio en los nanocanales de estructuras metálicas orgánicas flexibles con huéspedes metalacarboranos supercaotrópicos: mecanismo de conductividad iónica a resolución atómica". Aplicación ACS. Madre. Interfaces . 12 (42): 47447–47456. doi : 10.1021/acsami.0c12293 . PMID  32975402. S2CID  221918602.
  7. ^ abc Monje, síndrome premenstrual; Mortimer, RJ; Rosseinsky, DR (2007). Electrocromismo y Dispositivos Electrocrómicos . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-82269-5.
  8. ^ Publicación de referencia de la NASA. Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, Subdivisión de Información Científica y Técnica. 1979, págs . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  9. ^ "Colores de iones de metales de transición en solución acuosa". Interés compuesto . 5 de marzo de 2014 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  10. ^ Deepa, M.; Joshi, AG; Srivastava, Alaska; Shivaprasad, SM; Agnihotry, SA (2006). "Películas de óxido de tungsteno nanoestructuradas electrocrómicas por Sol-gel: propiedades de estructura y intercalación". Revista de la Sociedad Electroquímica . 153 (5): C365. Código Bib : 2006JElS..153C.365D. CiteSeerX 10.1.1.949.7131 . doi : 10.1149/1.2184072. 
  11. ^ abc Wang, Yang; Runnerstrom, Evan L.; Milliron, Delia J. (7 de junio de 2016). "Materiales intercambiables para ventanas inteligentes". Revisión Anual de Ingeniería Química y Biomolecular . 7 (1): 283–304. doi : 10.1146/annurev-chembioeng-080615-034647 . ISSN  1947-5438. PMID  27023660 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  12. ^ Puede, Fabien; Courtois, Javier; Duprez, Daniel (2 de junio de 2021). "Catalizadores a base de tungsteno para aplicaciones medioambientales" (PDF) . Catalizadores . 11 (6): 703. doi : 10.3390/catal11060703 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  13. ^ Jinmin, Wang; Lijun, HOU; Dongyun, MA (20 de mayo de 2021). "Materiales y dispositivos electrocrómicos de óxido de molibdeno". Revista de materiales inorgánicos . 36 (5): 461. doi : 10.15541/jim20200416 . ISSN  1000-324X. S2CID  229203829.
  14. ^ Eyovge, Cavit; Deenen, Cristian S.; Ruiz-Zepeda, Francisco; Bartling, Stephan; Smirnov, Yuri; Morales-Masis, Mónica ; Susarrey-Arce, Arturo; Gardeniers, Han (27 de agosto de 2021). "Ajuste de color de capas nanofibrosas electrocrómicas de TiO 2 cargadas con nanopartículas de metal y óxido metálico para ventanas de colores inteligentes". Nanomateriales aplicados ACS . 4 (8): 8600–8610. doi :10.1021/acsanm.1c02231. ISSN  2574-0970. PMC 8406417 . PMID  34485847. 
  15. ^ Ong, Gary K.; Sáez Cabezas, Camila A.; Domínguez, Manuel N.; Skjærvø, Susanne Linn; Heo, Sungyeon; Milliron, Delia J. (14 de enero de 2020). "Nanorods electrocrómicos de óxido de niobio". Química de Materiales . 32 (1): 468–475. doi : 10.1021/acs.chemmater.9b04061. ISSN  0897-4756. S2CID  213992620.
  16. ^ ab Striepe, Laura; Baumgartner, Thomas (1 de diciembre de 2017). "Viológenos y su aplicación como materiales funcionales". Química: una revista europea . 23 (67): 16924–16940. doi :10.1002/chem.201703348. PMID  28815887 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  17. ^ Kathiresan, Murugavel; Ambrosio, Bebin; Angulakshmi, Natarajan; Mateo, Deepa Elizabeth; Sujatha, Dhavamani; Stephan, Arul Manuel (2021). "Viológenos: una molécula orgánica versátil para aplicaciones de almacenamiento de energía". Revista de Química de Materiales A. 9 (48): 27215–27233. doi :10.1039/D1TA07201C. ISSN  2050-7488. S2CID  244388428 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  18. ^ abc Shah, Kwok Wei; Wang, Su-Xi; Entonces, Debbie Xiang Yun; Xu, Jianwei (8 de noviembre de 2019). "Materiales electrocrómicos a base de viológenos: desde pequeñas moléculas, polímeros y compuestos hasta sus aplicaciones". Polímeros . 11 (11): 1839. doi : 10.3390/polym11111839 . PMC 6918392 . PMID  31717323. 
  19. ^ De Matteis, Valeria; Cannavale, Alessandro; Ayr, Ubaldo (13 de diciembre de 2020). "Dióxido de titanio en dispositivos cromogénicos: síntesis, cuestiones toxicológicas y métodos de fabricación" (PDF) . Ciencias Aplicadas . 10 (24): 8896. doi : 10.3390/app10248896 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  20. ^ Zheng, Yanxing; Wang, Jiwei; Tang, Xinqiao; Zhang, Lei; Meng, Fanbao (1 de marzo de 2020). "Comportamiento líquido-cristalino y propiedad ferroeléctrica de cristales líquidos iónicos a base de viológeno". Revista de líquidos moleculares . 301 : 112369. doi : 10.1016/j.molliq.2019.112369. ISSN  0167-7322. S2CID  212774258.
  21. ^ Ouyang, Jianyong (septiembre de 2021). "Aplicación de polímeros intrínsecamente conductores en electrónica flexible". SmartMat . 2 (3): 263–285. doi : 10.1002/smm2.1059 . ISSN  2688-819X. S2CID  238642974.
  22. ^ Zheng, Haidong; Ou, Jian Zhen; Strano, Michael S .; Kaner, Richard B.; Mitchell, Arnan; Kalantar-zadeh, Kourosh (24 de mayo de 2011). "Óxido de tungsteno nanoestructurado: propiedades, síntesis y aplicaciones". Materiales funcionales avanzados . 21 (12): 2175–2196. doi : 10.1002/adfm.201002477 . ISSN  1616-301X. S2CID  138637143.
  23. ^ Lai, Wei Hao; Su, Yen Hsun; Teoh, Lay Gaik; Tsai, Yuan Tsung; Hon, Min Hsiung (2007). "Síntesis de partículas de óxido de tungsteno mediante método de deposición química". Transacciones de Materiales . 48 (6): 1575-1577. doi : 10.2320/matertrans.mep2007057 . ISSN  1345-9678.
  24. ^ Supothina, Sitthisuntorn; Seeharaj, Panpailin; Yoriya, Sorachón; Sriyudthsak, Mana (agosto de 2007). "Síntesis de nanopartículas de óxido de tungsteno por método de precipitación ácida". Cerámica Internacional . 33 (6): 931–936. doi :10.1016/j.ceramint.2006.02.007. ISSN  0272-8842.
  25. ^ Woodford, Chris (23 de abril de 2021). "¿Cómo funcionan las ventanas electrocrómicas (vidrio inteligente)?". Explica esas cosas . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  26. ^ "Las ventanas inteligentes que protegen contra la radiación solar pueden ayudar a reducir los gases de efecto invernadero". Exploración tecnológica . 1 de septiembre de 2021 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  27. ^ Glogic, Edis; Futsch, Romain; Entonces no, Víctor; Iglesias, Antonio; Joyard-Pitiot, Blandine; Depres, Gael; Rougier, Aline ; Sonnemann, Guido (6 de septiembre de 2021). "Desarrollo de Electrónica Inteligente Ecoeficiente para Antifalsificación y Detección de Golpes Basados ​​en Tintas Imprimibles". ACS Química e Ingeniería Sostenible . 9 (35): 11691–11704. doi :10.1021/acssuschemeng.1c02348. ISSN  2168-0485. S2CID  238705710.
  28. ^ Islam, Shakirul M.; Hernández, Tyler S.; McGehee, Michael D .; Barile, Christopher J. (marzo de 2019). "Ventanas dinámicas híbridas mediante electrodeposición de metal reversible e inserción de iones" (PDF) . Energía de la naturaleza . 4 (3): 223–229. Código Bib :2019NatEn...4..223I. doi :10.1038/s41560-019-0332-3. OSTI  1688410. S2CID  186288929.
  29. ^ Chen, Po-Wen; Chang, Chen-Te; Ko, Tien-Fu; Hsu, Sheng-Chuan; Li, Ke-Ding; Wu, Jin-Yu (21 de mayo de 2020). "Respuesta rápida de dispositivo electrocrómico complementario basado en electrodos WO3/NiO". Informes científicos . 10 (1): 8430. Código bibliográfico : 2020NatSR..10.8430C. doi :10.1038/s41598-020-65191-x. ISSN  2045-2322. PMC 7242463 . PMID  32439890 . Consultado el 29 de julio de 2022 . 
  30. ^ "Presentación de los trenes InterCity Express de los ferrocarriles alemanes". El hombre del asiento 61 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  31. ^ Hardiman, Jake (17 de junio de 2021). "Por qué el Boeing 787 tiene ventanas regulables". Vuelo sencillo . Consultado el 29 de julio de 2022 .

enlaces externos