Tillverkning och karakterisering av mesoporösa WO3-filmer. (a) Schematisk bild som visar tillverkningsprocessen av den mesoporösa WO3-filmen. (b) Svepelektronmikroskopi (SEM) bild (ovanifrån) av den mesoporösa WO3-filmen (infälld:tvärsnittsvy). c W 4f XPS-spektra för den mesoporösa WO3-filmen. d XRD-mönster av den mesoporösa WO3-filmen och nakna FTO-glas. e HR-TEM-bild av den mesoporösa WO3-filmen (infälld:SAED-mönster). Kredit:NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w
Under materialteknik, ett nätverk av små hål eller porer kan förbättra energilagringskapaciteten hos material för tillämpningar som smarta fönster. Smarta fönster är plattformar vars ljusgenomsläppliga egenskaper kan ändras när ljus, spänning eller värme appliceras. Forskare kan kontrollera bråkdelen av ljus som passerar genom materialet med hjälp av en elektrisk spänning för att elektriskt växla från transparent till ogenomskinligt material under laddningsöverföring. Även om denna funktion är förknippad med lagring och frigöring av energi, samma material kan också användas för energilagring. I en ny rapport, Jeon-Woo Kim och ett team av forskare vid Pohang University of Science and Technology i Sydkorea utvecklade och förbättrade elektrokroma superkondensatorer gjorda av volframtrioxid (WO) 3 ). De använde en avdunstningsinducerad självmonteringsprocess för att avsätta en film av volframtrioxid med porer, där den porösa arkitekturen ökade omkopplingshastigheten och kapacitansen i materialet jämfört med konventionella tunna filmer av volframtrioxid. Verket är nu publicerat på Nature Asia Materials .
Fotonik:smarta fönster och energilagring
Under detta arbete, Kim et al. demonstrerade det ultrasnabba svaret hos elektrokroma superkondensatorer genom att utforska den mesoporösa strukturen hos de ingående materialen. Elektrokroma enheter (ECD) kan generera reversibla färgförändringar som motsvarar elektricitet med lovande applikationer över smarta fönster, displayer och militärt kamouflage. Enheterna kan också styra ljustransmittansen för att bygga material för klimatanpassade energieffektiva byggnader. Funktionaliteten hos ECD kan utökas till energilagringsenheter som kallas elektrokroma superkondensatorer (ECS). Sådana superkondensatorer undersöks alltmer som nästa generations elektrokemiska komponenter som kan ändra sina egna optiska egenskaper och lagra den tillförda energin. Deras inneboende optiska egenskaper kan därför direkt avslöja de energinivåer i realtid som är lagrade inom dem. Forskare hade utvecklat sådana högpresterande enheter med elektrokroma kromoforer baserade på övergångsmetalloxider som volframtrioxid på grund av deras överlägsna elektrokemiska egenskaper. De elektrokroma displayerna som utvecklas här kan ändra färg baserat på deras lagrade energinivåer och produkten kommer att ha breda konsekvenser som nästa generations smarta fönstermaterial för byggnader och bärbar energilagring.
Utveckla de nya materialen och bygga enheten
Elektrokroma (EC) prestanda för meso- och kompakt-WO3 elektrokroma superkondensatorer (ECS). (a) ECS-struktur som används i detta arbete. (b) Transmittansspektra för meso-WO3 ECS som en funktion av pålagda spänningar (infälld:fotografier av färgade och blekta tillstånd). (c) In situ optiska svar av kompakt-WO3 ECS (röd linje) och meso-WO3 ECS (blå linje). (d) Kväveadsorption-desorptionsisotermkurvor för den mesoporösa och kompakta WO3. (e) Porstorleksfördelning av mesoporös WO3. (f) Variation av optisk densitet som en funktion av insprutad laddningstäthet. (g) Cykelstabilitet för färgning/blekning av de två ECS:erna under 1000 cykler. Kredit:NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w
Forskarna detaljerade tillverkningsprocessen med en blandad lösning av tetrahydrofuran och polystyren- blockera -polyetylenoxid och etanolbaserad volframhexaklorid (WCl 3 ) som en prekursor för volframtrioxid. Den resulterande filmen innehöll oorganiska-organiska kompositer. De kalcinerade sedan kompositen för att delvis avlägsna de organiska komponenterna och omvandla resten till amorft kol. De oorganiska komponenterna genomgick kondensation för att bilda volframtrioxid och den resulterande kompositfilmen innehöll en kol/volframtrioxidstruktur. Teamet exponerade därefter filmen för syreplasma för att eliminera det amorfa kolet, vilket de bekräftade med Raman-spektroskopi. Använda svepelektronmikroskopi (SEM), forskarna stödde den mesoporösa strukturen hos den resulterande volframtrioxiden (WO 3 ) film med små porer (mindre än 30 nm) och en tjocklek på ungefär 250 nm.
Kim et al. förväntad ultrasnabb dynamik med mesoporös WO 3 -baserade elektrokroma superkondensatorer (betecknade meso -WO 3 -ECs), och för jämförelse, de utvecklade också en kompakt enhet betecknad kompakt -WO 3 -ECs som använder WO 3 nanopartiklar. Därefter registrerade de UV-vis-transmittansspektra vid olika applicerade spänningar för att förstå det elektrokroma beteendet hos de två enheterna. När den pålagda spänningen ökade, transmittansen minskade gradvis över hela området av synliga ljusvåglängder på grund av redoxreaktioner i uppställningen. Teamet kunde sedan återställa enhetens genomskinliga blekta tillstånd genom att applicera en 2,3-spänning.
Jämför enhetens funktionalitet
För att jämföra det elektrokroma dynamiska svaret för de två enheterna, Kim et al. registrerade transmittansprofilerna vid 700 nm, och vid alternerande potentialer. De meso -WO 3 -ECS-enhet visade stor optisk modulering och ultrasnabb färgning på 0,8 sekunder och en blekningstid på 0,4 sekunder, betydligt snabbare än tidigare rapporter. Teamet fick inte ett liknande stabilt tillstånd av färgning och blekning under samma förhållanden som kompakt -WO 3 -ECS. Resultaten berodde på enheternas yta, där den meso -WO 3 -ECS-enhet förbrukade mindre energi jämfört med kompakt -WO 3 -ECS.
Energilagringsegenskaper hos meso- och kompakt-WO3 ECS. (a) Galvanostatiska laddnings-/urladdningskurvor (GCD) för meso-WO3 ECS vid olika strömtätheter. (b) Beroende av kapacitansretentionen för kompakt- och meso-WO3 ECS:erna på laddnings-/urladdningsströmtätheterna. (c) Laddnings-/urladdningscykelstabilitet för ECS:erna vid en strömtäthet på 1,0 mA/cm2. (d) GCD-kurva vid 1,0 mA/cm2 och motsvarande in situ-transmittansprofil vid 700 nm för meso-WO3 ECS. (e) Fotografier av meso-WO3 ECS under laddning och urladdning. (f) Schematisk illustration av joninterkalationen i meso- (vänster) och kompakt-WO3 (höger). Kredit:NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w
Vanligtvis, elektrokroma superkondensatoranordningar måste bibehålla cyklisk stabilitet under snabba svarsförhållanden. Ytterligare tester under snabba växlingsförhållanden mellan färgning och blekning under 1000 cykler visade därför hur den mesoporösa enheten behöll 85,5 procent av sin ursprungliga optiska modulering, medan den optiska moduleringen av kompakta enheter sjönk. Teamet tillskriver den utmärkta stabiliteten hos den mesoporösa enheten till dess karakteristiska arkitektur med en stor yta, väl lämpad för dynamiska applikationer som kräver snabb respons.
Laddningsöverföringsdynamik
Kim et al. jämförde sedan laddningsöverföringen och jonkinetiken för enheterna och resultaten visade ett mindre kontaktmotstånd, mindre laddningsöverföringsmotstånd och lägre jondiffusionsmotstånd för de mesoporösa enheterna. Enheterna visade signifikant olika laddningslagringsförmåga när den funktionella strömtätheten ökade. Arbetet innebar att de mesoporösa superkondensatorerna var mer lovande jämfört med de kompakta enheterna för att bilda snabbladdnings- och urladdningsenheter med enastående långtidsstabilitet. Teamet såg sedan direkt de lagrade energinivåerna för superkondensatorerna. Den mesoporösa enheten visade ingen signifikant försämring av optisk kontrast, som de tillskriver dess effektiva och snabba jontransportegenskaper. Med kompakta enheter, den optiska moduleringen minskade dramatiskt medan strömtätheten ökade, de kompakta enheterna var därför inte lika effektiva för höghastighetsfunktionalitet på grund av deras ineffektiva jontransport och långsamma laddningsöverföring.
Tillämpning av kombinerad tryckavdunstning-inducerad självmontering (PEISA) för tillverkning av funktionella ECSD. (a) Schematisk illustration av PEISA. (b) OM (vänster) och SEM (höger) bilder av mesoporös WO3 tillverkad av PEISA. (c) Fotografier av ECSD under testet med reversibel laddning (färgning av mönstret) och urladdning (LED-lampa tänd och blekning). För denna applikation, två ECSD:er kopplades i serie. Kredit:NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w
Tryck och förångningsinducerad självmontering
Teamet kombinerade sedan utskrift och förångningsinducerad självmontering för att utveckla den mycket funktionella, energilagrande, elektrokroma superkondensatorskärmar. Denna tryckprocess producerade en micellär struktur genom munstycket efter avdunstning, som de sedan utsattes för sekventiell kalcinering och syreplasmabehandling för att bilda en mönstrad mesoporös WO 3 anordning för energilagrande tillämpningar. När de laddade enheten, mönstren blev mörkblå för att indikera laddat tillstånd. För att bevisa dess verkningsmekanism, teamet kopplade enheten till en vitljusemitterande diod (LED) som ursprungligen avgav ljus, när den lagrade energin förbrukades, enheten återgick till sitt ursprungliga genomskinliga tillstånd.
Outlook:nästa generations smart elektronik.
På det här sättet, Jeon-Woo Kim och kollegor utvecklade multifunktionella elektrokroma superkondensatorer baserade på amorf mesoporös WO 3 filmer. Jämfört med den kompakta versionen av elektrokroma superkondensatorer ( kompakt -WO 3 -ECS), de mesoporösa elektrokroma superkondensatorerna ( meso -WO 3 -ECS) visade överlägsen prestanda. Forskarna krediterade detta till dess stora yta och amorfa natur. De mesoporösa enheterna fungerade snabbt för att fungera som elektrokemiska reflekterande displayer och för att lagra elektrisk laddning. Denna inställning kan även driva andra elektroniska enheter, eftersom färgintensiteten för mönstret på enheten indikerade nivån av lagrad energi inom. Resultaten kommer att ha en enorm potential för att bilda nästa generations smarta elektronik.
© 2021 Science X Network
