Durante la ingeniería de materiales, una red de pequeños orificios o poros puede mejorar la capacidad de almacenamiento de energía de los materiales para aplicaciones como ventanas inteligentes. Las ventanas inteligentes son plataformas cuyas propiedades de transmisión de luz pueden alterarse cuando hay luz, se aplica voltaje o calor. Los científicos pueden controlar la fracción de luz que pasa a través del material utilizando un voltaje eléctrico para cambiar eléctricamente de materiales transparentes a opacos durante la transferencia de carga. Si bien esta característica está asociada con el almacenamiento y la liberación de energía, los mismos materiales también se pueden utilizar para el almacenamiento de energía. En un nuevo informe, Jeon-Woo Kim y un equipo de científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea del Sur desarrollaron y mejoraron supercondensadores electrocrómicos hechos de trióxido de tungsteno (WO ₃ ). Utilizaron un proceso de autoensamblaje inducido por evaporación para depositar una película de trióxido de tungsteno con poros, donde la arquitectura porosa aumentó la velocidad de conmutación y la capacitancia en el material en comparación con las películas delgadas de trióxido de tungsteno convencionales. El trabajo ahora está publicado en Materiales de Nature Asia .

Fotónica:ventanas inteligentes y almacenamiento de energía

Durante este trabajo, Kim y col. demostraron la respuesta ultrarrápida de los supercondensadores electrocrómicos explorando la estructura mesoporosa de los materiales constituyentes. Los dispositivos electrocrómicos (ECD) pueden generar cambios de color reversibles que corresponden a la electricidad con aplicaciones prometedoras en ventanas inteligentes. exhibiciones y camuflaje militar. Los dispositivos también pueden controlar la transmisión de luz para construir materiales para edificios de eficiencia energética adaptables al clima. La funcionalidad de los ECD se puede extender a dispositivos de almacenamiento de energía conocidos como supercondensadores electrocrómicos (ECS). Estos supercondensadores se están investigando cada vez más como componentes electroquímicos de próxima generación capaces de cambiar sus propias propiedades ópticas y almacenar la energía suministrada. Por lo tanto, sus características ópticas inherentes pueden revelar directamente los niveles de energía en tiempo real almacenados en su interior. Los investigadores habían desarrollado dispositivos de alto rendimiento utilizando cromóforos electrocrómicos basados ​​en óxidos de metales de transición como el trióxido de tungsteno debido a sus propiedades electroquímicas superiores. Las pantallas electrocrómicas desarrolladas aquí pueden cambiar de color en función de sus niveles de energía almacenados y el producto tendrá amplias implicaciones como materiales de ventanas inteligentes de próxima generación para edificios y almacenamiento de energía portátil.

Desarrollando los nuevos materiales y construyendo el dispositivo

Los científicos detallaron el proceso de fabricación utilizando una solución mixta de tetrahidrofurano y poliestireno. cuadra -óxido de polietileno y hexacloruro de tungsteno a base de etanol (WCl ₃ ) como precursor del trióxido de tungsteno. La película resultante contenía compuestos inorgánicos-orgánicos. Luego calcinaron el compuesto para eliminar parcialmente los componentes orgánicos y transformar el resto en carbono amorfo. Los componentes inorgánicos experimentaron condensación para formar trióxido de tungsteno y la película compuesta resultante contenía una estructura de trióxido de carbono / tungsteno. Posteriormente, el equipo expuso la película a plasma de oxígeno para eliminar el carbono amorfo, que confirmaron usando espectroscopía Raman. Usando microscopía electrónica de barrido (SEM), los científicos apoyaron la estructura mesoporosa del trióxido de tungsteno resultante (WO ₃ ) película con poros pequeños (menos de 30 nm) y un espesor aproximado de 250 nm.

Kim y col. dinámica ultrarrápida esperada con WO mesoporosa ₃ supercondensadores electrocrómicos basados ​​en meso -WO ₃ -EC), y para comparar, también desarrollaron un dispositivo compacto denotado compacto -WO ₃ -EC usando WO ₃ nanopartículas. A continuación, registraron los espectros de transmitancia UV-vis a varios voltajes aplicados para comprender el comportamiento electrocrómico de los dos dispositivos. Cuando el voltaje aplicado aumentó, la transmitancia disminuyó gradualmente en todo el rango de longitudes de onda de luz visible debido a reacciones redox en la configuración. Luego, el equipo pudo recuperar el estado blanqueado transparente del dispositivo aplicando un voltaje de 2.3.

Comparación de la funcionalidad del dispositivo

Para comparar la respuesta dinámica electrocrómica de los dos dispositivos, Kim y col. registró los perfiles de transmitancia a 700 nm, ya potenciales alternos. los meso -WO ₃ -El dispositivo ECS mostró una gran modulación óptica y una coloración ultrarrápida en 0,8 segundos y un tiempo de blanqueo de 0,4 segundos, notablemente más rápido que los informes anteriores. El equipo no obtuvo un estado de coloración y decoloración similarmente estable en las mismas condiciones con compacto -WO ₃ -ECS. Los resultados dependieron del área de superficie de los dispositivos, donde el meso -WO ₃ -El dispositivo ECS consumió menos energía en comparación con el compacto -WO ₃ -ECS.

Típicamente, Los dispositivos supercondensadores electrocrómicos deben mantener la estabilidad del ciclo en condiciones de respuesta rápida. Por lo tanto, pruebas adicionales en condiciones de cambio rápido entre coloración y blanqueo durante 1000 ciclos mostraron cómo el dispositivo mesoporoso retuvo el 85,5 por ciento de su modulación óptica original, mientras que la modulación óptica de los dispositivos compactos cayó. El equipo atribuyó la excelente estabilidad del dispositivo mesoporoso a su arquitectura característica con una gran superficie, muy adecuado para aplicaciones dinámicas que requieren una respuesta rápida.

Dinámica de transferencia de carga

Kim y col. Luego comparó la transferencia de carga y la cinética de iones de los dispositivos y los resultados mostraron una menor resistencia de contacto, menor resistencia a la transferencia de carga y menor resistencia a la difusión de iones para los dispositivos mesoporosos. Los dispositivos mostraron capacidades de almacenamiento de carga significativamente diferentes a medida que aumentaba la densidad de corriente funcional. El trabajo implicó que los supercondensadores mesoporosos fueran más prometedores en comparación con los dispositivos compactos para formar dispositivos de carga y descarga rápidos con una excelente estabilidad a largo plazo. Luego, el equipo observó directamente los niveles de energía almacenados de los supercondensadores. El dispositivo mesoporoso no mostró una degradación significativa del contraste óptico, lo que atribuyeron a sus propiedades de transporte de iones rápido y eficaz. Con dispositivos compactos, la modulación óptica disminuyó drásticamente mientras que la densidad de corriente aumentó, por lo tanto, los dispositivos compactos no eran tan eficientes para la funcionalidad de alta velocidad debido a su transporte de iones ineficiente y transferencia de carga lenta.

Autoensamblaje inducido por evaporación e impresión

Luego, el equipo combinó la impresión y el autoensamblaje inducido por evaporación para desarrollar el altamente funcional, almacenamiento de energía, Pantallas de supercondensadores electrocrómicos. Este proceso de impresión produjo una estructura micelar a través de la boquilla después de la evaporación, que luego sometieron a calcinación secuencial y tratamiento con plasma de oxígeno para formar un WO mesoporoso estampado ₃ dispositivo para aplicaciones de almacenamiento de energía. Cuando cargaron el dispositivo, los patrones se volvieron azul oscuro para indicar el estado de carga. Para probar su mecanismo de acción, el equipo conectó el dispositivo a un diodo emisor de luz blanca (LED) que inicialmente emitía luz, cuando se consumió la energía almacenada, el dispositivo volvió a su estado transparente original.

Outlook:electrónica inteligente de próxima generación.

De este modo, Jeon-Woo Kim y sus colegas desarrollaron supercondensadores electrocrómicos multifuncionales basados ​​en WO mesoporosa amorfa ₃ Película (s. En comparación con la versión compacta de supercondensadores electrocrómicos ( compacto -WO ₃ -ECS), los supercondensadores electrocrómicos mesoporosos ( meso -WO ₃ -ECS) mostró un rendimiento superior. Los científicos atribuyeron esto a su gran superficie y naturaleza amorfa. Los dispositivos mesoporosos funcionaron rápidamente para servir como pantallas reflectantes electroquímicas y para almacenar carga eléctrica. Esta configuración también puede alimentar otros dispositivos electrónicos, ya que la intensidad del color del patrón en el dispositivo indicaba el nivel de energía almacenada en su interior. Los resultados tendrán un enorme potencial para formar dispositivos electrónicos inteligentes de próxima generación.

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