Durante a engenharia de materiais, uma rede de pequenos orifícios ou poros pode melhorar a capacidade de armazenamento de energia de materiais para aplicações como janelas inteligentes. As janelas inteligentes são plataformas cujas propriedades de transmissão de luz podem ser alteradas quando há luz, tensão ou calor é aplicado. Os cientistas podem controlar a fração de luz que passa pelo material usando uma voltagem elétrica para alternar eletricamente de materiais transparentes para opacos durante a transferência de carga. Embora esse recurso esteja associado ao armazenamento e liberação de energia, os mesmos materiais também podem ser usados ​​para armazenamento de energia. Em um novo relatório, Jeon-Woo Kim e uma equipe de cientistas da Universidade Pohang de Ciência e Tecnologia na Coreia do Sul desenvolveram e melhoraram supercapacitores eletrocrômicos feitos de trióxido de tungstênio (WO ₃ ) Eles usaram um processo de auto-montagem induzida por evaporação para depositar uma película de trióxido de tungstênio com poros, onde a arquitetura porosa aumentou a velocidade de comutação e capacitância no material em comparação com filmes finos de trióxido de tungstênio convencionais. O trabalho agora está publicado em Nature Asia Materials .

Fotônica:janelas inteligentes e armazenamento de energia

Durante este trabalho, Kim et al. demonstraram a resposta ultra-rápida de supercapacitores eletrocrômicos explorando a estrutura mesoporosa dos materiais constituintes. Dispositivos eletrocrômicos (ECDs) podem gerar mudanças reversíveis de cor que correspondem à eletricidade com aplicativos promissores em janelas inteligentes, monitores e camuflagem militar. Os dispositivos também podem controlar a transmissão de luz para construir materiais para edifícios com eficiência energética adaptáveis ​​ao clima. A funcionalidade dos ECDs pode ser estendida a dispositivos de armazenamento de energia conhecidos como supercapacitores eletrocrômicos (ECS). Esses supercondensadores estão cada vez mais sob investigação como componentes eletroquímicos de próxima geração, capazes de alterar suas próprias propriedades ópticas e armazenar a energia fornecida. Suas características óticas inerentes podem, portanto, revelar diretamente os níveis de energia em tempo real armazenados dentro. Os pesquisadores desenvolveram tais dispositivos de alto desempenho usando cromóforos eletrocrômicos baseados em óxidos de metais de transição, como trióxido de tungstênio, devido às suas propriedades eletroquímicas superiores. Os visores eletrocrômicos desenvolvidos aqui podem mudar de cor com base em seus níveis de energia armazenados e o produto terá amplas implicações como materiais de janela inteligente de próxima geração para edifícios e armazenamento portátil de energia.

Desenvolvendo os novos materiais e construindo o dispositivo

Os cientistas detalharam o processo de fabricação usando uma solução mista de tetra-hidrofurano e poliestireno- bloquear -óxido de polietileno e hexacloreto de tungstênio à base de etanol (WCl ₃ ) como um precursor do trióxido de tungstênio. O filme resultante continha compostos orgânicos inorgânicos. Eles então calcinaram o composto para remover parcialmente os componentes orgânicos e transformar o restante em carbono amorfo. Os componentes inorgânicos sofreram condensação para formar trióxido de tungstênio e o filme composto resultante continha uma estrutura de trióxido de carbono / tungstênio. A equipe posteriormente expôs o filme a plasma de oxigênio para eliminar o carbono amorfo, que eles confirmaram usando espectroscopia Raman. Usando microscopia eletrônica de varredura (SEM), os cientistas apoiaram a estrutura mesoporosa do trióxido de tungstênio resultante (WO ₃ ) filme com poros pequenos (menos de 30 nm) e uma espessura de aproximadamente 250 nm.

Kim et al. dinâmica ultra-rápida esperada com WO mesoporoso ₃ com base em supercapacitores eletrocrômicos (denotados meso -WO ₃ -ECs), e para comparação, eles também desenvolveram um dispositivo compacto denominado compactar -WO ₃ -ECs usando WO ₃ nanopartículas. Depois disso, eles gravaram os espectros de transmitância de UV-vis em várias tensões aplicadas para entender o comportamento eletrocrômico dos dois dispositivos. Quando a tensão aplicada aumentou, a transmitância diminuiu gradualmente em toda a faixa de comprimentos de onda da luz visível devido às reações redox na configuração. A equipe poderia então recuperar o estado transparente branqueado do dispositivo aplicando uma voltagem de 2,3.

Comparando a funcionalidade do dispositivo

Para comparar a resposta dinâmica eletrocrômica dos dois dispositivos, Kim et al. registrou os perfis de transmitância em 700 nm, e em potenciais alternados. o meso -WO ₃ O dispositivo -ECS apresentou grande modulação óptica e coloração ultrarrápida em 0,8 segundos e um tempo de branqueamento de 0,4 segundos, notavelmente mais rápido do que os relatórios anteriores. A equipe não obteve um estado similarmente estável de coloração e branqueamento nas mesmas condições com compactar -WO ₃ -ECS. Os resultados dependeram da área de superfície dos dispositivos, onde o meso -WO ₃ - O dispositivo ECS consumiu menos energia em comparação com o compactar -WO ₃ -ECS.

Tipicamente, Os dispositivos supercapacitores eletrocrômicos devem manter a estabilidade do ciclo em condições de resposta rápida. Testes adicionais sob condições de troca rápida entre coloração e branqueamento por 1000 ciclos, portanto, mostraram como o dispositivo mesoporoso reteve 85,5 por cento de sua modulação óptica original, enquanto a modulação óptica de dispositivos compactos caiu. A equipe creditou a excelente estabilidade do dispositivo mesoporoso à sua arquitetura característica com uma grande área de superfície, bem adequado para aplicações dinâmicas que requerem uma resposta rápida.

Dinâmica de transferência de carga

Kim et al. em seguida, comparou a transferência de carga e a cinética de íons dos dispositivos e os resultados mostraram uma resistência de contato menor, menor resistência à transferência de carga e menor resistência à difusão de íons para os dispositivos mesoporosos. Os dispositivos mostraram recursos de armazenamento de carga significativamente diferentes conforme a densidade de corrente funcional aumentava. O trabalho implicava que os supercapacitores mesoporosos fossem mais promissores em comparação com os dispositivos compactos para formar dispositivos de carga e descarga rápidos com excelente estabilidade de longo prazo. A equipe então visualizou diretamente os níveis de energia armazenados dos supercapacitores. O dispositivo mesoporoso não mostrou degradação significativa do contraste óptico, que eles creditaram às suas propriedades eficazes e rápidas de transporte de íons. Com dispositivos compactos, a modulação óptica diminuiu drasticamente enquanto a densidade de corrente aumentou, os dispositivos compactos, portanto, não eram tão eficientes para funcionalidade de alta taxa devido ao seu transporte de íons ineficiente e transferência de carga lenta.

Impressão e auto-montagem induzida por evaporação

A equipe então combinou a impressão e a automontagem induzida pela evaporação para desenvolver o altamente funcional, armazenamento de energia, monitores de supercapacitores eletrocrômicos. Este processo de impressão produziu uma estrutura micelar através do bico após a evaporação, que eles então submeteram a calcinação sequencial e tratamento com plasma de oxigênio para formar um WO mesoporoso padronizado ₃ dispositivo para aplicações de armazenamento de energia. Quando eles carregaram o dispositivo, os padrões tornaram-se azuis escuros para indicar o estado carregado. Para provar seu mecanismo de ação, a equipe conectou o dispositivo a um diodo emissor de luz branca (LED) que inicialmente emitiu luz, quando a energia armazenada foi consumida, o dispositivo voltou ao seu estado transparente original.

Outlook:eletrônicos inteligentes de última geração.

Desta maneira, Jeon-Woo Kim e seus colegas desenvolveram supercapacitores eletrocrômicos multifuncionais baseados em WO mesoporoso amorfo ₃ filmes. Em comparação com a versão compacta de supercapacitores eletrocrômicos ( compactar -WO ₃ -ECS), os supercapacitores eletrocrômicos mesoporosos ( meso -WO ₃ -ECS) apresentou desempenho superior. Os cientistas atribuíram isso à sua grande área de superfície e natureza amorfa. Os dispositivos mesoporosos funcionaram rapidamente para servir como telas reflexivas eletroquímicas e para armazenar carga elétrica. Esta configuração também pode alimentar outros dispositivos eletrônicos, como a intensidade da cor do padrão no dispositivo indica o nível de energia armazenada dentro. Os resultados terão um enorme potencial para formar eletrônicos inteligentes de próxima geração.

© 2021 Science X Network