Черные электрохромные чернила, выполненные простым методом с использованием суспензии наночастиц оксида меди.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7774 (2023) Цитировать эту статью

422 доступа

Подробности о метриках

Электрохромные (EC) материалы для «умных окон» должны иметь темный цвет и блокировать видимый свет (длина волны = 380–780 нм), чтобы уменьшить воздействие на окружающую среду. В частности, также желательны черные тона, и имеется множество сообщений о попытках создать эти темные тона с использованием органических материалов, таких как полимеры. Однако методы их изготовления сложны, дороги и могут даже использовать опасные вещества; более того, они часто недостаточно долговечны, например, при воздействии ультрафиолета. Сообщалось о некоторых случаях использования черных материалов в качестве неорганического материала системы CuO, но метод синтеза был сложным, а функциональность не была стабильной. Мы нашли метод синтеза наночастиц CuO, просто нагревая основной карбонат меди и регулируя pH с помощью лимонной кислоты, чтобы легко получить суспензию. С использованием разработанной суспензии также было продемонстрировано формирование и функциональность тонких пленок CuO. Это исследование позволит создать «умные» ЕС-окна с использованием существующих неорганических материалов и методов, таких как технологии печати, и станет первым шагом на пути к разработке экологически чистых, экономически эффективных и функциональных темных неорганических материалов.

Электрохромные (ЭК) материалы проявляют обратимые оптические свойства посредством электрохимических окислительно-восстановительных реакций, что позволяет контролировать пропускание и поглощение в ближней инфракрасной (БИК) и видимой областях1,2. Благодаря этой уникальной способности электрохимические материалы можно использовать для разработки электрохромных устройств (ЭХД), которые широко используются для дисплеев3, датчиков4, устройств накопления энергии5 и «умных окон»6,7. EC-материалы в основном подразделяются на неорганические и органические. Неорганические материалы включают оксиды переходных металлов (например, оксид вольфрама8, оксид никеля9) и неорганические комплексы (например, органический каркас10). Органические материалы состоят из π-сопряженных органических молекул (например, виологен11), проводящих полимеров (например, полиимид12, политиофен13) и т. д. Неорганические электрохимические материалы обладают рядом преимуществ перед органическими, включая высокую химическую стабильность и эффективность, а также эффект памяти. после снятия внешнего напряжения, что является важным фактором, определяющим применение ЭЗД1.

Среди существующих EC-материалов в ЭЗД те, которые переключаются между прозрачным и синим оттенками, уже коммерциализированы14, но теперь требуются серые или черные оттенки для удовлетворения недавнего спроса на более темные состояния как по соображениям дизайна, так и для снижения воздействия на окружающую среду. Если такие системы материалов будут реализованы, их можно будет использовать в качестве материала окон в транспортных средствах следующего поколения, таких как электромобили и автомобили на топливных элементах, которые, как ожидается, станут более популярными в будущем. При применении в окнах эти материалы могут снизить затраты на электроэнергию и увеличить запас хода этих транспортных средств за счет снижения нагрузки на систему кондиционирования.

На сегодняшний день несколько исследований продемонстрировали черные материалы EC. Однако многие из этих материалов, о которых сообщается, остаются на стадии фундаментальных исследований, поскольку они являются органическими15,16,17,18, требуют различных материалов для синтеза, сложны и требуют много времени для обработки, а в некоторых случаях оказывают большое воздействие на окружающую среду. . Поэтому необходимы системы материалов ЕС, которые могут более простым способом выразить черный цвет.

Наша группа занимается разработкой чернил на основе водных дисперсий оксида вольфрама (WO3) и наночастиц PB (NP) для применения во влажных процессах получения тонких пленок EC8,10. Среди мокрых процессов печать19 и нанесение покрытий20,21 имеют преимущество, позволяя изготавливать тонкие EC-пленки на крупномасштабных подложках за короткое время и с низкими затратами. Кроме того, эти методы выгодны для изготовления тонких пленок на стеклянных и гибких подложках.

В данной работе мы разработали простой метод приготовления дисперсных суспензий НЧ CuO с использованием основного карбоната меди(II) в качестве исходного материала и лимонной кислоты для регулирования pH воды. Хотя методы получения наноразмерных частиц CuO были тщательно исследованы22,23,24,25, было проведено очень мало исследований по приготовлению стабильных дисперсных суспензий НЧ CuO, которые являются важными жидкофазными покрытиями для производства тонких пленок26,27. Хорошо известны биомедицинские применения НЧ CuO, например, в качестве сенсорных материалов, датчиков глюкозы, датчиков H2O2, датчиков дофамина и для заживления ран28. Коллоидные суспензии, содержащие оксидные НЧ, имеют значительный потенциал для применения в промышленных масштабах, поскольку их легко применять в непрерывных производственных процессах, таких как печать и покрытие наноструктурированных пленок29. Было предпринято несколько попыток приготовить коллоидные суспензии CuO с использованием растворов на основе нитратов и ацетатов26,30,31,32.