Электрохромное устройство на основе триоксида вольфрама и оксида графена

Полезная модель относится к прикладной электрохимии, а именно к электрохромным устройствам с электрически управляемой величиной светопропускания. Представленная полезная модель может быть использована для создания «умных» стекол с управляемым уровнем светопропускания для оконных проемов жилых зданий и теплиц и зеркал заднего вида автотранспортных средств.
Известно изобретение патент US №5161048, МПК: G02F 1/01 «Electrochromic window with metal grid counterelectrode and acidic polyelectrolyte» (перевод: «Электрохромное окно с противоэлектродом из металлической сетки и кислотным полиэлектролитом»). Основная концепция изобретения состоит в том, что на противоэлектроде идет реакция окисления/восстановления металла сетки (в предпочтительном варианте - медная сетка) при изменении внешнего напряжения, при котором обеспечивается отсутствие разложения электролита и выделения газа. Основным недостатком данного электрохромного устройства является ограниченный срок службы, обусловленный постепенным растворением противоэлектрода из-за необратимого перехода металла сетки в раствор в виде ионов, а также наличие видимой металлической сетки, влияющей на светопропускание.
6
4
6
3
3
6
2
В патенте РФ №2534119 «Электрохромное устройство с литиевым полимерным электролитом и способ его изготовления» представлено электрохромное устройство с противоэлектродом на основе Берлинской лазури: смеси гексацианоферратов от KFe[Fe(CN)] до Fe[Fe(CN)], в преимущественном варианте в виде феррицианида железа(II) Fe[Fe(CN)]. Недостатками данного электрохромного устройства являются: самообесцвечивание противоэлектрода при температуре свыше 50°С; деградация противоэлектрода под действием УФ-излучения; его малая электрохимическая стабильность в обесцвеченном состоянии; недостаточная тепло- и влагостойкость. Кроме того, в системе оксида вольфрама и Берлинской лазури не соблюдается электрохимический баланс, необходимый для полного обесцвечивания устройства, поэтому требуется подзарядка противоэлектрода перед началом работы.
2
Патент US №5209980, электрохромные устройства характеризуются невысоким контрастом между окрашенным и обесцвеченным состояниями вследствие недостаточной интеркаляционной емкости противоэлектродов, кроме того, для окрашивания устройства размером 10×20 см требуется пропустить заряд равный 41 мКл/см, при этом цикл окрашивания завершается за 120 с и сопровождается уменьшением пропускания от 68% до 20%.
+
В качестве прототипа использовано изобретение №2676807 С9 «Электрохромное устройство и способ его изготовления». Сущность изобретения заключается в том, что электрохромное устройство включает рабочий электрод на основе оксида вольфрама, противоэлектрод и полимерный литийсодержащий электролит, при этом в качестве противоэлектрода использован материал высокой интеркаляционной емкостью по отношению к ионам лития (Li).
Недостатком является низкое значение удельного поверхностного электрического сопротивления оксида вольфрама, что требует увеличение затрат энергии на процесс окрашивания.
Технический результат: обеспечение возможности высокого контраста между окрашенными и обесцвеченными состояниями, достижение максимального срока службы.
Техническими задачами полезной модели являются повышение контрастности и увеличения плотности тока в реакциях окрашивания при введении оксида графена.
3
Техническая задача достигается тем, что в качестве рабочего электрода был использован электрохромный слой триоксида вольфрама с оксидом графена (WO/GO), а в качестве противоэлектрода ITO-стекло.
Сущность полезной модели следует из графического материала: фиг. 1.
3
2
4
3
В качестве основы для покрытия использовано ITO-стекло (1). Триоксид вольфрама и оксид графена (WO/GO) наносятся электрохимическим (катодным) из раствора пероксивольфрамовой кислоты осаждением на ITO-стекло (2). В качестве электролита (3) использована разбавленная серная кислота (0,01 М HSO). Встречный противоэлектрод (анод) - прозрачное ITO-стекло (1) с последовательно соединенными проводниками. Клеммы (4,5) служат для подключения к источнику постоянного электрического напряжения (от 0,1 до 5 В). Поверхность электрохромного покрытия включает в себя области, содержащие компоненты электрохромной пленки, полученные в результате электрохимического (катодного) осаждения пленки WOс оксидом графена (фиг. 2).
3
3
2
3
Изображение СЭМ идентифицируется как электрохромная пленка WO/GO: (а) - СЭМ при увеличении 2 мкм; (б) - Sp и Sp карта элементного состава 500 нм соответствует следующим цветам: зеленый - оксид графена; синий - WO; красный - ITO.
Электрохромное устройство на основе триоксида вольфрама и оксида графена работает следующим образом.
При подаче питающего напряжения от источника электрической энергии на клеммы (4) и (5) происходит протекание электрического тока, что приводит к изменению цвета покрытия в результате электрохимической реакции.
3
3
3
3
3
3
3
Образцы электрохромных пленок WO и WO/GO, полученные электрохимическим (катодным) осаждением из раствора перокси-вольфрамовой кислоты и исследованные методом циклической-вольтамперометрии (ЦВА). Фиг. 3 - ЦВА-зависимости электродов WO и WO/GO, полученных электрохимическим (катодным) осаждением: (а) - WO; (б) - WO/GO (содержание GO 40 мас.%). На фиг. 3 показаны ЦВА с линейной разверткой потенциала от -0,7 до 1,0 В при скорости сканирования 20 мВ/с. ЦВА-кривые, показывают, что ток увеличивается для пленок WO/GO за счет большей электропроводности из-за образования слоя оксида графена. При этом ЦВА-кривая показывает увеличенную площадь под кривой, что указывает на то, что произошло большое количество интеркаляции заряда, поскольку площадь под кривой прямо пропорциональна количеству интеркаляции заряда в пленки, что в свою очередь указывает на эффективность окрашивания пленки.
3
3
Эффективность окрашивания, изменения цвета под действием приложенного напряжения были исследованы с помощью спектров оптической модуляции светового излучения в электрохромных пленках. Фиг. 4 - Спектры оптического светового пропускания при изменении цвета и в обесцвеченном состоянии: (а) - WO; (б) - WO/GO.
3
3
+
Кривая, представленная на фиг. 4, подтверждает высокую контрастность между окрашенным и обесцвеченным состояниями для электрохромных пленок WO/GO Заряды внедряются в пленку посредством диффузии, что приводит к цветному состоянию (темно-синему), о чем свидетельствует нижняя спектральная кривая светового поглощения, которая показывает практически полное поглощение при потенциале -2,3 В для пленки WO/GO. При положительном потенциале равном +1,0 В ионы Ндеинкалируются из пленки, что приводит к обесцвечиванию состоянию в реакции окисления.
Таким образом, технический результат был достигнут, что подтверждается повышением контрастности и увеличения плотности тока в реакциях окрашивания при введении оксида графена.