电致变色材料研究进展

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1、电致变色材料研究进展摘要电致变色材料是目前公认的最有发展前途的智能材料之一。本文简述了电致变色机理及特点，简要介绍了无机电致变色材料（WO3）和有机电致变色材料（氧化还原型化合物、金属有机螯合物、导电聚合物）这两种不同类型的变色材料，电致变色材料的应用前景和发展方向及其研究现状。关键词电致变色无机电致变色材料有机电致变色材料应用现状变色现象是指物质在外界环境的影响下，而产生的一种对光的反应的改变。这种现象普遍存在于自然界中，比如变色龙，它的体色会随着周围环境的变化而改变。人们感兴趣的是一类具有可逆变色

2、现象的物质，即可利用一定的外界条件将它们的颜色进行改变并且在另外一种条件下将其还原。目前发现的变色现象主要有4类:电致变色、光致变色、热致变色和压致变色，其中又以电致变色研究得最为深入。电致变色是指在外接电压或者电流的驱动下，物质发生电化学氧化还原反应而引起颜色变化的现象。即在外加电场作用下，物质的化学性能（透射率、反射率等）在可见光范围内产生稳定的可逆变化。其主要特点有以下几点：(1)电致变色材料中电荷的注入与抽出可以通过外界电压或电流的改变而方便地实现，注入或抽出电荷的多少直接决定了材料的致色程度

3、，调节外界电压或电流可以控制电致变色材料的致色程度;(2)通过改变电压的极性可以方便地实现着色或消色;(3)已着色的材料在切断电流而不发生氧化还原反应的情况下，可以保持着色状态，即具有记忆功能。因此，电致变色材料应满足以下各个方面的要求:(1)具有良好的电化学氧化还原可逆性;(2)颜色变化的响应时间快;(3)颜色的变化是可逆的;(4)颜色变化的灵敏度高;(5)有较高的循环寿命;(6)有一定的记忆存贮功能;(7)有高的机械性能和化学稳定性;(8)有合适的微观结构。自1969年Deb发现非晶WO3薄膜具有

4、电致变色效应以来，电致变色薄膜材料以其特殊的性能成为了材料研究的热点之一，并且取得了一定的成果。70年代电致变色器件的问世，80年代美国科学家研究的“灵巧窗”都是在电致变色材料研究领域的重大突破。此后，人们又逐渐发现了其它一些电致变色材料，可以分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料的性能稳定,其光吸收变化是由于离子和电子的双注入和双抽出而引起的。有机电致变色材料的色彩丰富,易进行分子设计,其光吸收变化来自氧化还原反应。无机电致变色材料无机电致变色材料多为过渡金属氧化物或其衍生物。这是

5、由于过渡金属元素在d轨道有未成对的单电子存在。过渡金属元素离子一般易于着色,且基态与激发态能量差较小。氧化物中金属的电子层结构不稳定,在一定的条件下价态发生可逆转变,形成混合价态的离子共存状态,其颜色随离子价态和浓度的变化而变化。依据变色特性,又可分为阴极电致变色材料和阳极电致变色材料。1、阴极电致变色材料在高价氧化状态无色,在低价还原状态着色的电致变色材料称为阴极电致变色材料,主要包括ÖB族的WO3、MoO3及其混合材料,以及V2O5、Nb2O5、TiO2、BiO3等。其中，最典型的就是WO3，它是

6、最早被发现具有电致变色特性的，也是研究得最为广泛和深入的一种电致变色材料。对于WO3，在钨的位置上都被WⅥ占据，是一种透明的薄膜;而在氧化还原态时，WⅤ产生电致变色效应。尽管对于WO3详细的变色机制还存在争议，但是金属阳离子的注入与抽出的重要作用已被认可。一般认为其反应方程式如下:xM++xe－+WO3→MxWO3式中M表示H+，Li+等。利用Faughnan等提出的价间电荷迁移模型解释WO3的变色行为，如图1(a)所示方向加电场时，电子e－和阳离子M+同时注入WO3膜原子晶格间的缺陷位置，形成钨青铜

7、(MxWO3)化合物，呈现蓝色。如图1(b)所示方向加电场时，电致变色层中电子e－和阳离子M+同时脱离，蓝色消失。WO3在高价态呈现无色，在低价态呈现出蓝色，是一类在高价氧化状态下无色，在低价还原状态下着色的阴极电致变色材料，这类材料主要是ⅥB族金属氧化物。图1价间电荷迁移模型示意图1、阳极电致变色材料阳极电致变色材料与阴极电致变色材料相反，它们在低价还原状态下无色，在高价氧化状态下呈现颜色，阳极材料主要是Ⅷ族即Pt族(Pt，Pd，Ru，Rh等)的金属氧化物和水合氧化物。对于阳极材料来说，研究的比较普

8、遍的是IrO2和NiO两种氧化物材料。对于阳极材料的变色机制目前还不能够确定，只是提出了质子抽出和阴离子注入的两种模型:R(OH)2≒ROOH+H++e(1)R(OH)2+OH－≒ROOH+H2O+e(2)其中(1)式对应于质子(H+)萃取模型，即把质子从膜中抽出，使之变色;而(2)式则对应于OH－注入模型。这两种模型除了着色态含水量不同之外，其化学成分并没有发生改变。有机电致变色材料有机电致变色材料又有有机小分子电致变色材料和高分子电致变色材料之分。有