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電致變色（EC）顯示器通過電子調節太陽輻射的透射率，為提高建筑和電子產品的能源效率以及改善人們的舒適度和生活方式提供了機會。盡管電磁技術具有獨特的優點和巨大的應用潛力，但由于生產成本、耐用性、顏色和復雜的制造工藝，期待已久的電磁窗戶和相關視覺內容顯示器尚未完全商業化。

成果簡介

在此，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授和吉林大學張曉安教授等人基于自然的主體和客體互動，開發了一個獨特的EC策略和系統，以解決上述問題。作者已經制造了一種完全可重復使用和可持續的EC器件，其具有極低的成本、理想的用戶/環境友好特性和出色的光調制等潛在優勢，這得益于提取的生物質EC材料和系統中涉及的可重復使用的透明電極。制備好的EC窗口和非自發光透明顯示屏還顯示出全面的優異性能：高透射率變化（>85%）、覆蓋紫外（UV）、可見光（Vis）到紅外（IR）范圍的寬光譜調制、高耐用性（在紫外線輻射下超過1.5個月不衰減）、低開路電壓（0.9 V）、器件關鍵部件的出色可重用性（>1200次循環）和透射率變化大的可逆性（>4000次循環），以及令人愉快的多色調節，其動態主客體相互作用的非常規探索和設計原則可以為不同的節能和可持續光電應用提供獨特的見解。

相關文章以“Sustainable, low-cost, high-contrast electrochromic displays via host-guest interactions”為題發表在PNAS上。

研究背景

智能窗戶通過減少照明、制冷和供暖負荷，為建筑物節省了20%以上的能源，被認為是建筑脫碳的關鍵需求。受其節能性能和將建筑窗戶轉化為視覺內容顯示的趨勢的推動，到2030年，智能窗戶的全球市場規模預計將達到200億美元，從2021年至2030年以15%的年增長率增長。電致變色（EC）顯示器在電壓刺激下可以可逆切換，由于其主動控制模式、良好的可逆性和光學特性，有望應用于智能窗戶和相關視覺內容顯示。目前，為了滿足智能窗日益增長的需求，已經開發了各種EC材料，包括無機EC材料、有機EC材料和金屬-有機EC復合物。例如，WO₃通過選擇合適的注入電解液離子并改善相關離子存儲層結構，開發了具有良好光調制和穩定性的固態或液態EC器件。基于可逆電沉積的EC窗戶，如Bi³⁺和Cu²⁺具有良好的耐久性。與無機EC材料相比，由聚噻吩衍生物所代表的共軛聚合物的結構可以很容易地用不同的取代基進行修飾，以調節供體與受體之間的相互作用，有利于顏色的變化、靈活性和著色效率（CE）。

盡管在這一領域取得了重大進展，但由于當前EC系統的固有缺點，包括復雜的材料合成和設備制造工藝，高成本以及不令人滿意的耐用性，智能窗戶的市場滲透率僅為當前商業建筑空間的0.004%。因此，如何避免復雜的化學合成和制備工藝，提高EC性能，利用EC系統中涉及的環保、經濟、可重復使用的透明電極，被認為是加速其大規模應用的關鍵。

圖文導讀

EC材料制備與機制

在本文的設計中，包含主體和客體單元的系統的顏色可以在可逆電壓激勵下可逆切換。主客體交互有兩個重要組成部分（圖 1A）。一種成分是“主體分子”，它通常具有能夠捕獲其他一些分子的“孔狀”結構。另一個成分是“客體分子”，它通常比宿主分子小，能夠與它們結合。主客體相互作用背后的驅動力在不同情況下可能會有所不同，例如疏水效應、離子鍵、氫鍵、螯合效應、范德華力等。最初，主體和客體分子之間不存在主客體相互作用以形成有色包合物。然而，當客體分子發生氧化或還原，伴有親水性和疏水性、電子云密度或配位能力的顯著變化時，它們在親水和疏水相互作用、配位相互作用、氫鍵、范德華力或離子鍵的驅動下進入主體分子孔，形成一種穩定的有色包合物。當客體分子在相反的電壓刺激下恢復到原來的物質時，主體和客體分子之間的相互作用消失。客體分子離開宿主孔結構，在此過程中引起顏色變化。這些顏色變化過程與當前的EC機制有很大不同，包括金屬離子可逆電沉積引起的顏色變化，離子和電子雙注入引起的無機氧化物的晶格變化，染料分子的異構化等。?在這些客體分子中，碘化物表現出優異的可逆氧化還原活性，親水性和疏水性發生明顯變化（圖1B）。

圖1. 基于主客體相互作用的EC機理和反應過程。

同時，作者研究了以直鏈淀粉為主體聚合物，碘離子為主體分子的主體-客體相互作用系統。首先，測試了變色的可行性。如圖2A所示，直鏈淀粉溶液和碘化鉀（KI）溶液分離時不僅無色，而且混合時沒有相關的顏色和光譜吸收，表明KI和直鏈淀粉之間沒有形成有色物質和相關相互作用。當KI₃與直鏈淀粉混合，可以觀察到藍色和相應的吸收峰，這說明了KI₃與直鏈淀粉之間產生了新的物質。有趣的是，當還原劑Na₂S₂O₃加入到混合物中，混合物的顏色和吸收消失。結果表明，當I₃^–還原為I^–時，KI₃與直鏈淀粉之間的相互作用可以消失。為了滿足合適的電化學性能，I^–的氧化還原電位應該低于直鏈淀粉的氧化電位，因為I^–在系統中提供了氧化還原中心，而不是直鏈淀粉。如圖2B所示，I^–的氧化電位分別為0.64 V和0.90 V，明顯低于直鏈淀粉（高于1.0 V）。

圖2：基于動態主客體交互作用的EC機制的研究。

EC性質

此外，作者系統地研究了I^–/直鏈淀粉體系的EC性質。作者制作了包含五層，包括EC層、離子導電層、離子存儲層和兩個ITO玻璃的EC器件，以展示其在顯示器中的潛力（圖3A）。每一層都包含了影響電子轉移和離子轉移過程以及系統中所涉及的反應量的各種成分，這對器件的EC性能至關重要。如圖3B所示，當電極周圍的I^–被氧化并迅速轉化為I₃^–時，電解液中過量的K⁺反離子等陽離子遷移到陰極電極。同時，陰極電極附近離子存儲層中的電活性物質將發生相反的電化學反應，以維持系統的電荷平衡。

圖3：EC裝置優化。

EC設備特性

不同類型的EC材料具有不同的特性，如共軛聚合物的著色效率和響應速度快，無機材料的穩定性顯著，適用于各種應用場景，共同推動了電致變色領域的發展。因此，作者進一步探索其特性，器件的透射率變化高度依賴于受激電壓。當電壓高于+0.9 V時，會立即產生顏色變化，如圖4A所示。這種低導通電壓是由于KI的低氧化電位，這有利于優化其使用壽命。同時，可以通過調整施加的電壓來獲得顏色/透射率漸變顯示，這是電子顯示的重要特性，有助于廣泛的顏色深度變化。可以在設備中施加不同的電壓，以不同的響應速率實現最高的透射率變化。在1.9V/1.3V的電壓下，在3.2 s/7.6 s內透光率變化85.7%，顏色從原始無色透明狀態（在615nm下T=86.2%）到黑色（T = 0.5%），與其他報道優秀的代表性工作相比，這對于智能窗戶和現實非發射性透明顯示器是足夠的。

圖4：EC裝置特性。

應用展示

基于以上研究，作者制造了EC窗戶的原型。該器件可以從原來的透明無色狀態轉換為完全黑色的狀態，顯示出預制窗戶的突出遮光效果。實際上，所有智能窗戶都必須考慮白天黑暗窗戶吸收陽光引起的溫度過高。在變色側附近添加一層薄薄的離子水夾層以進行相關的熱管理是一種有效的策略。同時，包括櫥窗和陳列柜在內的每一塊玻璃，都像是未來電子顯示屏的載體。作為物聯網和智能社會的一部分，不可避免的透明顯示器將是不可替代和無處不在的，這將明顯提高信息交換效率并節省空間。本文還通過簡單的預處理和激光蝕刻制造了非發光透明EC顯示器的原型。由于這些獨特的EC材料具有高對比度，透明的非自發光顯示原型表現出可讀的字體。通過替換不同的客體分子/聚合物，還實現了多色顯示，這對于適應不同的顯示場景至關重要。

圖4：基于動態主客交互的EC窗戶和非發射透明顯示。

綜上所述，本文開發了一類基于主客體互動的可持續的EC材料和設備。分別用FT-IR、XRD、XPS、1 H-NMR、拉曼光譜和原位光譜-電化學分析等方法研究了它們的反應機理。本文所制備的相關EC窗戶的原型和多色非發射透明顯示器顯示出極低的生產成本和優異的EC性能的潛在優勢，特別是高傳輸變化。此外，它還提供了用戶/環保、可重用、與可持續性發展兼容的優勢。綜上所述，這些結果表明，有前途的動態主體和客體EC系統和設備將加速EC系統和刺激響應材料的進一步應用和工業化，可能有助于能源效率和可持續的智能顯示

文獻信息

Yuyang Wang, Chuxin Lei, Weixin Guan, Wen Shi, Ruipeng Shen, Sean Xiao-An Zhang, Guihua Yua, Sustainable, low-cost, high-contrast electrochromic displays via host-guest interactions, PNAS. (2024).?

原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/04/29/0c3d0bbe84/

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