Tijdens de materiaalkunde een netwerk van kleine gaatjes of poriën kan de energieopslagcapaciteit van materialen verbeteren voor toepassingen als slimme ramen. Slimme ramen zijn platforms waarvan de lichttransmissie-eigenschappen kunnen worden gewijzigd wanneer licht, spanning of warmte wordt toegepast. Wetenschappers kunnen de lichtfractie die door het materiaal gaat, regelen met behulp van een elektrische spanning om tijdens de ladingsoverdracht elektrisch over te schakelen van transparante naar ondoorzichtige materialen. Hoewel deze functie wordt geassocieerd met het opslaan en vrijgeven van energie, dezelfde materialen kunnen ook worden gebruikt voor energieopslag. In een nieuw rapport Jeon-Woo Kim en een team van wetenschappers van de Pohang University of Science and Technology in Zuid-Korea ontwikkelden en verbeterden elektrochrome supercondensatoren gemaakt van wolfraamtrioxide (WO ₃ ). Ze gebruikten een door verdamping geïnduceerd zelfassemblageproces om een ​​film van wolfraamtrioxide met poriën af te zetten, waar de poreuze architectuur de schakelsnelheid en capaciteit in het materiaal verhoogde in vergelijking met conventionele dunne wolfraamtrioxide-films. Het werk is nu gepubliceerd op Natuur Azië Materialen .

Fotonica:slimme ramen en energieopslag

Tijdens dit werk, Kim et al. demonstreerde de ultrasnelle respons van elektrochrome supercondensatoren door de mesoporeuze structuur van de samenstellende materialen te onderzoeken. Elektrochrome apparaten (ECD's) kunnen omkeerbare kleurveranderingen genereren die overeenkomen met elektriciteit met veelbelovende toepassingen in slimme vensters, displays en militaire camouflage. De apparaten kunnen ook de lichttransmissie regelen om materialen te bouwen voor klimaatadaptieve, energiezuinige gebouwen. De functionaliteit van ECD's kan worden uitgebreid tot energieopslagapparaten die bekend staan ​​als elektrochrome supercondensatoren (ECS). Dergelijke supercondensatoren worden in toenemende mate onderzocht als elektrochemische componenten van de volgende generatie die in staat zijn hun eigen optische eigenschappen te veranderen en de geleverde energie op te slaan. Hun inherente optische kenmerken kunnen daarom direct de realtime energieniveaus die erin zijn opgeslagen onthullen. Onderzoekers hadden dergelijke krachtige apparaten ontwikkeld met behulp van elektrochrome chromoforen op basis van overgangsmetaaloxiden zoals wolfraamtrioxide vanwege hun superieure elektrochemische eigenschappen. De elektrochrome displays die hier zijn ontwikkeld, kunnen van kleur veranderen op basis van hun opgeslagen energieniveaus en het product zal brede implicaties hebben als slimme raammaterialen van de volgende generatie voor gebouwen en draagbare energieopslag.

De nieuwe materialen ontwikkelen en het apparaat bouwen

De wetenschappers hebben het fabricageproces gedetailleerd met behulp van een gemengde oplossing van tetrahydrofuran en polystyreen- blok -polyethyleenoxide en op ethanol gebaseerde wolfraamhexachloride (WCl ₃ ) als voorloper van wolfraamtrioxide. De resulterende film bevatte anorganisch-organische composieten. Vervolgens calcineerden ze de composiet om de organische componenten gedeeltelijk te verwijderen en de rest om te zetten in amorfe koolstof. De anorganische componenten ondergingen condensatie om wolfraamtrioxide te vormen en de resulterende composietfilm bevatte een koolstof/wolfraamtrioxidestructuur. Het team stelde de film vervolgens bloot aan zuurstofplasma om de amorfe koolstof te verwijderen, die ze bevestigden met behulp van Raman-spectroscopie. Met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM), de wetenschappers ondersteunden de mesoporeuze structuur van het resulterende wolfraamtrioxide (WO ₃ ) film met kleine poriën (minder dan 30 nm) en een dikte van ongeveer 250 nm.

Kim et al. verwachte ultrasnelle dynamiek met mesoporeuze WO ₃ -gebaseerde elektrochrome supercondensatoren (aangeduid als meso -WO ₃ -EC's), en ter vergelijking, ze ontwikkelden ook een compact apparaat aangeduid als compact -WO ₃ -EC's met WO ₃ nanodeeltjes. Daarna registreerden ze de UV-vis transmissiespectra bij verschillende aangelegde spanningen om het elektrochrome gedrag van de twee apparaten te begrijpen. Toen de aangelegde spanning toenam, de transmissie nam geleidelijk af over het hele bereik van zichtbare lichtgolflengten als gevolg van redoxreacties in de opstelling. Het team kon vervolgens de transparante, gebleekte toestand van het apparaat herstellen door een spanning van 2,3 aan te leggen.

Apparaatfunctionaliteit vergelijken

Om de elektrochrome dynamische respons van de twee apparaten te vergelijken, Kim et al. registreerde de transmissieprofielen bij 700 nm, en bij wisselende potentialen. De meso -WO ₃ -ECS-apparaat vertoonde grote optische modulatie en ultrasnelle kleuring in 0,8 seconden en een bleektijd van 0,4 seconden, aanzienlijk sneller dan eerdere rapporten. Het team bereikte geen vergelijkbare stabiele staat van kleuren en bleken onder dezelfde omstandigheden met: compact -WO ₃ -ECS. De resultaten waren afhankelijk van het oppervlak van de apparaten, waar de meso -WO ₃ -ECS-apparaat verbruikt minder energie in vergelijking met de compact -WO ₃ -ECS.

Typisch, elektrochrome supercondensatorapparaten moeten de fietsstabiliteit behouden onder snelle responsomstandigheden. Aanvullende tests onder snelle omschakelingscondities tussen kleuring en bleken gedurende 1000 cycli toonden daarom aan hoe het mesoporeuze apparaat 85,5 procent van hun oorspronkelijke optische modulatie behield, terwijl de optische modulatie van compacte apparaten daalde. Het team schreef de uitstekende stabiliteit van het mesoporeuze apparaat toe aan zijn karakteristieke architectuur met een groot oppervlak, zeer geschikt voor dynamische toepassingen die een snelle reactie vereisen.

Dynamiek van ladingsoverdracht

Kim et al. vervolgens vergeleken de ladingsoverdracht en ionenkinetiek van de apparaten en de resultaten toonden een kleinere contactweerstand, kleinere ladingsoverdrachtsweerstand en lagere iondiffusieweerstand voor de mesoporeuze apparaten. De apparaten vertoonden significant verschillende capaciteiten om lading op te slaan naarmate de functionele stroomdichtheid toenam. Het werk impliceerde dat de mesoporeuze supercondensatoren veelbelovender waren in vergelijking met de compacte apparaten om apparaten voor snel opladen en ontladen te vormen met uitstekende stabiliteit op lange termijn. Het team heeft vervolgens direct de opgeslagen energieniveaus van de supercondensatoren bekeken. Het mesoporeuze apparaat vertoonde geen significante verslechtering van optisch contrast, die ze toeschreven aan de effectieve en snelle ionentransporteigenschappen. Met compacte apparaten, de optische modulatie nam drastisch af terwijl de stroomdichtheid toenam, de compacte apparaten waren daarom niet zo efficiënt voor functionaliteit met hoge snelheid vanwege hun inefficiënte ionentransport en langzame ladingsoverdracht.

Zelfmontage door bedrukking en verdamping

Het team combineerde vervolgens printen en door verdamping geïnduceerde zelfassemblage om de zeer functionele, energieopslag, elektrochrome supercondensatordisplays. Dit drukproces produceerde na verdamping een micellaire structuur door het mondstuk, die ze vervolgens onderworpen aan sequentiële calcinering en zuurstofplasmabehandeling om een ​​mesoporeuze WO met patroon te vormen ₃ apparaat voor energieopslagtoepassingen. Toen ze het apparaat oplaadden, de patronen werden donkerblauw om de geladen toestand aan te geven. Om zijn werkingsmechanisme te bewijzen, het team verbond het apparaat met een white-light emitting diode (LED) die aanvankelijk licht uitstraalde, wanneer de opgeslagen energie is verbruikt, het apparaat keerde terug naar zijn oorspronkelijke transparante staat.

Outlook:slimme elektronica van de volgende generatie.

Op deze manier, Jeon-Woo Kim en collega's ontwikkelden multifunctionele elektrochrome supercondensatoren op basis van amorfe mesoporeuze WO ₃ films. Vergeleken met de compacte versie van elektrochrome supercondensatoren ( compact -WO ₃ -ECS), de mesoporeuze elektrochrome supercondensatoren ( meso -WO ₃ -ECS) toonde superieure prestaties. De wetenschappers schrijven dit toe aan het grote oppervlak en de amorfe aard. De mesoporeuze apparaten functioneerden snel om te dienen als elektrochemisch reflecterende displays en om elektrische lading op te slaan. Deze opstelling kan ook andere elektronische apparaten van stroom voorzien, omdat de kleurintensiteit van het patroon op het apparaat het niveau van opgeslagen energie binnenin aangaf. De resultaten zullen een enorm potentieel hebben om slimme elektronica van de volgende generatie te vormen.

© 2021 Science X Network