stringtranslate.com

Electrocromismo

Pareja redox para un viológeno . La especie 2+ de la izquierda es incolora y la especie 1+ de la derecha es azul oscuro o roja, 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 (cercana) . 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 solo es necesario aplicar energía para que se produzca, se utilizan materiales electrocrómicos para controlar la cantidad de luz y calor que se permite que pase a través de una superficie, más comúnmente llamadas "ventanas inteligentes". Una aplicación popular es en la industria automotriz , 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 se produce 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 entre sí en las esquinas. Esta disposición produce una estructura nanoporosa tridimensional con "túneles" entre segmentos octaédricos individuales. Estos túneles permiten que los iones disociados pasen a través de 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 es inducido típicamente por dos electrodos planos y transparentes que encierran 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 que equilibran la carga fluyen entre los electrodos. Estos electrones cambian la valencia de los átomos de metal en el óxido, reduciendo su carga, como en el siguiente ejemplo del trióxido de tungsteno: [7]

YO
3+ n ( H+
+ e − ) → H
norteYO
3

Se trata de una reacción redox , ya que el metal electroactivo acepta electrones de los electrodos, formando una semicelda. [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 únicamente a la(s) placa(s) plana(s), más específicamente denominadas "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 el óxido de tungsteno para dos iones de tungsteno a y b : [10]

Yo5+
un+ W6+
b+ fotón → W6+
un+ W5+
b

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 óxidos de molibdeno , [13] titanio [14] y niobio , [15] aunque estos son menos efectivos ópticamente.

Los viológenos son una clase de materiales orgánicos [16] [17] que se están investigando intensamente para aplicaciones electrocrómicas. [18] Estos compuestos de 4,4'-bipiridina muestran cambios de color reversibles entre un color incoloro y un azul profundo debido a reacciones redox. Los investigadores pueden "ajustarlos" a 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 para reciclar. [16] Las posibles ventajas de los viológenos incluyen su contraste óptico, eficiencia de coloración, estabilidad redox, facilidad de diseño y potencial para escalar para la preparación de áreas grandes. [18]

Gentex Corporation ha utilizado viológenos con fenilendiamina , que ha comercializado espejos retrovisores con oscurecimiento automático [18] y ventanas inteligentes en aviones Boeing 787. [11] El viológeno 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 las pantallas, incluidos el polipirrol , el PEDOT y la polianilina . [21]

Síntesis de óxido de tungsteno

Se han utilizado muchos métodos para sintetizar óxido de tungsteno, incluyendo la deposición química en fase 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 de WO
3para obtener una solución azul de HWO
3:

(ES
3)
2CH–OH + 3Cl
2→ (Cl
3DO)
2=O + 4H
2
2WO
3+ H
2→ 2 horas
3

YO
3También se pueden obtener nanopartículas por precipitación de tungstato de amonio para pentahidrato (NH
4)
10Yo
12Oh
41⋅5 horas
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] La primera y la última son vidrios transparentes hechos de sílice ( SiO
2), se necesitan los dos electrodos para aplicar el voltaje, que a su vez empujará (o jalará) Li+
Los iones de litio pasan de la capa de almacenamiento de iones a través del electrolito hacia el material electrocrómico (o viceversa). La aplicación de un alto voltaje (4 V o más) empujará los iones de litio hacia la capa electrocrómica, desactivando el material electrocrómico. La ventana ahora es completamente transparente. Al aplicar un voltaje más bajo (2,5 V, por ejemplo), la concentración de iones de litio en la capa electrocrómica disminuye, activando así el óxido de tungsteno (N)IR-activo. [25] [3] Esta activación provoca la reflexión 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 puede 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 habitualmente en la producción de ventanas electrocrómicas o " vidrio inteligente ", [3] [1] y, más recientemente, pantallas electrocrómicas sobre sustrato de papel como sistemas anti-falsificación integrados en envases. [27] Los materiales de NiO se han estudiado ampliamente como contraelectrodos para dispositivos electrocrómicos complementarios, en particular 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 compartimiento de pasajeros y la cabina del conductor. El modo estándar es transparente y el conductor puede cambiarlo a esmerilado. [30] Las ventanas electrocrómicas se utilizan en el Boeing 787 Dreamliner en forma de un panel regulable entre la ventana exterior y la cubierta antipolvo interior, [31] lo que permite a la tripulación y los pasajeros controlar la transparencia de las ventanas. [ cita requerida ]

Véase también

Lectura adicional

Referencias

  1. ^ abc Mortimer, RJ (2011). "Materiales electrocrómicos". Annu. Rev. Mater. Res . Vol. 41. págs. 241–268. Código Bibliográfico :2011AnRMS..41..241M. doi :10.1146/annurev-matsci-062910-100344. PMID  12449538.
  2. ^ Chua, Ming Hui; Tang, Tao; Ong, Kok Haw; Neo, Wei Teng; Xu, Jian Wei (2019). "Capítulo 1 Introducción al electrocromismo". Materiales inteligentes electrocrómicos: fabricación y aplicaciones. Serie de materiales inteligentes. Royal Society of Chemistry. 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 Knowable . doi : 10.1146/knowable-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 los 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, Jan; Plecháček, Tomáš (2020). "Transferencia de iones de litio en los nanocanales de estructuras metalorgánicas flexibles que presentan huéspedes metalacarboranos supercaotrópicos: mecanismo de conductividad iónica a resolución atómica". ACS Appl. Mater. Interfaces . 12 (42): 47447–47456. doi : 10.1021/acsami.0c12293 . PMID  32975402. S2CID  221918602.
  7. ^ abc Monk, PMS; Mortimer, RJ; Rosseinsky, DR (2007). Electrocromismo y dispositivos electrocrómicos . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82269-5.
  8. ^ Publicación de referencia de la NASA. Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, División de Información Científica y Técnica. 1979. pp. x . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  9. ^ "Colores de los iones de metales de transición en solución acuosa". Compound Interest . 5 de marzo de 2014 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  10. ^ Deepa, M.; Joshi, AG; Srivastava, AK; Shivaprasad, SM; Agnihotry, SA (2006). "Películas de óxido de tungsteno nanoestructuradas electrocrómicas mediante sol-gel: estructura y propiedades de intercalación". Revista de la Sociedad Electroquímica . 153 (5): C365. Código Bibliográfico :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 conmutables 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. ^ Can, Fabien; Courtois, Xavier; Duprez, Daniel (2 de junio de 2021). "Catalizadores basados ​​en tungsteno para aplicaciones medioambientales" (PDF) . Catalysts . 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, Yury; Morales-Masis, Monica ; 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 de metal para ventanas de colores inteligentes". ACS Applied Nano Materials . 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; Soo, Debbie Xiang Yun; Xu, Jianwei (8 de noviembre de 2019). "Materiales electrocrómicos basados ​​en 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) . Applied Sciences . 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 basados ​​en viológeno". Journal of Molecular Liquids . 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, Sorachon; Sriyudthsak, Mana (agosto de 2007). "Síntesis de nanopartículas de óxido de tungsteno mediante el 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 (de vidrio inteligente)?". Explain that Stuff . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  26. ^ "Las ventanas inteligentes que protegen de la radiación solar pueden ayudar a reducir los gases de efecto invernadero". Tech Xplore . 1 de septiembre de 2021 . Consultado el 29 de julio de 2022 .
  27. ^ Glogic, Edis; Futsch, Romain; Thenot, Victor; Iglesias, Antoine; Joyard-Pitiot, Blandine; Depres, Gael; Rougier, Aline ; Sonnemann, Guido (6 de septiembre de 2021). "Desarrollo de electrónica inteligente ecoeficiente para la lucha contra la falsificación y la detección de impactos basada en tintas imprimibles". ACS Sustainable Chemistry & Engineering . 9 (35): 11691–11704. doi :10.1021/acssuschemeng.1c02348. ISSN  2168-0485. S2CID  238705710.
  28. ^ Islam, Shakirul M.; Hernandez, Tyler S.; McGehee, Michael D. ; Barile, Christopher J. (marzo de 2019). "Ventanas dinámicas híbridas que utilizan electrodeposición de metales reversible e inserción de iones" (PDF) . Nature Energy . 4 (3): 223–229. Bibcode :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 un dispositivo electrocrómico complementario basado en electrodos WO3/NiO". Scientific Reports . 10 (1): 8430. Bibcode :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 en el asiento 61. Consultado el 29 de julio de 2022 .
  31. ^ "PPG fabricará ventanas de cabina con oscurecimiento electrónico para el Boeing 787". Huntsville, Alabama: Military+Aerospace Electronics. 16 de diciembre de 2005.

Enlaces externos