《JMCA》：电致变色水凝胶智能窗
近年来，电致变色材料由于其独特的变色能力引起了人们的广泛关注。可逆色变现象在智能窗领域具有巨大的潜力，在智能窗的光传输、吸收和反射率可以通过施加电压来改变。与其他显示技术相比，电致变色显示具有不需要背光、高对比度、低驱动电压等优点。智能窗常用的电致变色材料有无机电致变色金属氧化物、有机电致变色聚合物和无机-有机杂化聚合物。其中水凝胶作为半固态材料，在基底上形成膜，同时仍保持与液体电解质相同的高电荷转移能力。一些水凝胶具有热致变色特性，这使得水凝胶在智能窗口中充当电解质，并实现热电双响应效应。这些优势使得水凝胶可以在电致变色智能窗户领域以多种方式使用，以提高其性能。
典型的电致变色智能窗至少包含五层，包括两个透明电极层、电致变色层、电解质层和离子存储层。水凝胶电解质在电致变色水凝胶智能窗中的应用可以简化器件结构，其通常由电致变色层、水凝胶、透明电极三层结构组成。同时，在电解液中使用热变色水凝胶可以获得热电双响应水凝胶智能窗，能够提供更好的隐私性。因此，电致变色水凝胶智能窗减少了电致变色装置的界面数量，拓宽了其在私人建筑中的应用。本文主要介绍基于电致变色水凝胶的智能窗设计机理和电热双敏水凝胶智能窗的研究现状。
水凝胶电解质
带有电解液的电致变色装置有溶液泄漏和层脱落的风险。固体无机电解质通常离子电导率较低，存在漏电现象。电离水凝胶是一种半固态材料，不易泄漏，与固态电解质相比具有更好的离子转移能力。因此被认为是一种优良的透明电极材料。
图1
图1a和b显示了25 cm2动态窗口的示意图和照片。水是一种理想的溶剂将其溶解能力许多在高浓度金属盐和金属盐的分离阳离子和阴离子。通过使用交联凝胶，可以延长溶剂的温度范围。可逆电沉积制造的无毒水凝胶电解质智能窗，可循环至少5500次，不降低均匀性和光学对比度。该设备由一个经Pt纳米粒子修饰的ITO工作电极和一个背面为玻璃的铜金属反电极框架组成。这种水基电解质含有羟乙基纤维素，以增加溶液粘度。当应用-0.6V时，在600 nm处初始81%的透射率在30 s后下降到20%，在180 s后下降到5%。将窗口电压切换到+0.8 V可以在70秒内恢复设备的初始透明度(图1c)。水凝胶作为智能窗的电解液，也可以简化智能窗的结构。传统电致变色智能窗的透明电极、离子存储层和电解质可被离子水凝胶替代，形成三层结构。研究人员通过引入含氯化锂的多功能聚丙烯酰胺水凝胶(PAAm-LiCl水凝胶)，报道了一种配置非常简单的新型电致变色装置。
该装置的工作机理是在偏压下WO3-x氧化态的变化(图1d)。当对FTO衬底施加负偏压时，FTO层上的电子和水凝胶中的Li+将注入WO3-x薄膜。根据可逆反应WO3-x +αM++αe-= MαWO3-x，LiαWO3-x产生时，基体中钨的均价降低。在这个过程中，胶片变成了深蓝色。当对FTO衬底施加正偏置时，从LiαWO3-x宿主中提取电子和Li+阳离子。由于极化子吸收的减少，这使薄膜漂白到透明状态。该装置的透射光谱如图1e所示。应用1.2V后，简化的电致变色智能窗透光率约为80%。该值几乎与裸露的商用FTO衬底(80%)相同，表明WO3-x薄膜和水凝胶电极都具有很高的透明度。图1f为施加偏置前后的器件性能。设备后面的纸的标志可以在漂白状态下看到。当施加电压为-0.8V时，着色的器件变成深蓝色，颜色一致，透射率急剧下降。当向智能窗口施加电压时，该设备可以有效地阻挡不必要的阳光。
图2
热电双重响应
为了将电致变色智能窗扩展到公共和私人建筑中，热电双应答智能窗和电致应答智能窗都引起了研究者的关注。在温度和电刺激下，热响应和电响应行为可以同时发生，实现智能窗的主动和被动双重控制。有人通过结合聚(n -异丙基丙烯酰胺)的热敏特性和紫精的电致变色特性，设计了一种基于热电双反应电解质的智能窗户系统，该系统具有可调透明度。通过改变紫精的化学结构可以调节电致变色器件的电致变色效果。图2a显示了P(NIPAM x -BVIm y -DACV)凝胶的化学结构。如图2b所示，共聚合物凝胶的LCST与BVIm片段数呈正相关。在580 nm波长下，观察到所制备的热致变色和电致变色器件的透射率变化大于50%(图2c)。为了实现绝对私密的环境，有人使用聚(n -异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)水凝胶作为温度刺激与LiClO4电解质，设计了一种新型的电致变色器件，结构如图2d所示。电致变色材料(WO3和PEDOT)和含电解质的水凝胶被添加到两个FTO基质之间。产生的器件的电致变色层由电场控制，从而产生不同的颜色，而电解液则产生由温度控制的高度分散的零透明私有状态。此外，它所能达到的四种不同状态(漂白状态、有色状态、白色私有状态、有色私有状态)（图2e）。在20℃条件下，测定了在0.5 M LiClO4水电解质中，PNIPAm为25 g/L和不含PNIPAm水凝胶的WO3膜的循环伏安特性(图2f)。结果表明，在有PNIPAm水凝胶和没有PNIPAm水凝胶的电解质中，电流值几乎相同，氧化还原曲线非常相似。这一现象表明，WO3膜的电化学性能不受电解质中水凝胶的影响。
表1
表1总结了基于各种水凝胶智能窗的电致变色性能。水凝胶作为电致变色材料，进一步简化了电致变色智能窗的结构，丰富了智能窗的变色机理，提高了智能调光效果，且不影响电致变色材料的性能。通过施加一个电压，智能窗的颜色和透光率就会被主动调节。结合热致变色水凝胶，形成热电双响应智能窗，扩大了电致变色智能窗在私人建筑中的应用。
论文链接
https://doi.org/10.1039/D0TA00849D