极快的电致变色超级电容器

在材料工程中，微孔或孔隙网络可以提高材料的储能能力，用于智能窗户的应用。智能窗户是可以在施加光、电压或热量时改变其透光特性的平台。科学家可以使用电压控制穿过材料的光的比例，从而在电荷转移过程中从透明材料电切换到不透明材料。虽然此功能与能量的储存和释放有关，但相同的材料也可用于能量储存。在一份新报告中，韩国浦项科技大学的 Jeon-Woo Kim 和一组科学家开发并改进了由三氧化钨(WO3)。他们使用蒸发诱导的自组装工艺来沉积带有孔的三氧化钨薄膜，与传统的三氧化钨薄膜相比，多孔结构提高了材料的开关速度和电容。该工作现已发表在Nature Asia Materials 上。

光子学：智能窗户和能量储存

在这项工作中，Kim 等人。通过探索组成材料的介孔结构，证明了电致变色超级电容器的超快响应。电致变色设备 (ECD) 可以产生与电相对应的可逆颜色变化，在智能窗户、显示器和军用伪装等领域具有广阔的应用前景。这些设备还可以控制透光率，为气候适应性节能建筑建造材料。ECD 的功能可以扩展到称为电致变色超级电容器(ECS) 的能量存储设备。这种超级电容器作为下一代电化学元件越来越受到研究能够改变自身的光学特性并储存所提供的能量。因此，它们固有的光学特性可以直接揭示存储在其中的实时能级。研究人员使用基于过渡金属氧化物(如三氧化钨)的电致变色发色团开发了这种高性能设备，因为它们具有优异的电化学性能。这里开发的电致变色显示器可以根据其储存的能量水平改变颜色，该产品将作为下一代建筑和便携式储能智能窗材料具有广泛的意义。

开发新材料并构建设备

科学家们详细介绍了使用四氢呋喃和聚苯乙烯嵌段聚环氧乙烷和乙醇基六氯化钨(WCl 3 )的混合溶液作为三氧化钨前体的制造过程。所得薄膜含有无机-有机复合物。然后他们煅烧复合材料以部分去除有机成分并将剩余部分转化为无定形碳。无机组分经过缩合形成三氧化钨，所得复合膜含有碳/三氧化钨结构。该团队随后将薄膜暴露在氧等离子体中以消除无定形碳，他们使用拉曼光谱. 使用扫描电子显微镜(SEM) 中，科学家支持所得三氧化钨 (WO 3 ) 薄膜的介孔结构，具有小孔(小于 30 nm)和约 250 nm 的厚度。

金等人。使用基于介孔 WO 3的电致变色超级电容器(表示为meso -WO 3 -ECs)的预期超快动力学，为了比较，他们还开发了一种紧凑型装置，表示为使用 WO 3纳米粒子的紧凑型-WO 3 -ECs 。此后他们记录了紫外可见光透射光谱不同施加电压下的电致变色行为，以了解这两种设备的电致变色行为。当施加的电压增加时，由于设置中的氧化还原反应，透射率在整个可见光波长范围内逐渐降低。然后，该团队可以通过施加 2.3 的电压来恢复设备的透明漂白状态。

比较设备功能

为了比较两种设备的电致变色动态响应，Kim 等人。记录了 700 nm 和交替电位下的透射率曲线。的内消旋-WO 3 -ECS器件显示大的光学调制和在0.8秒超快着色和0.4秒的漂白时间，特别是速度比以前的报告。该团队没有在相同条件下使用紧凑型-WO 3 -ECS获得类似稳定的着色和漂白状态。结果取决于器件的表面积，其中与紧凑型-WO 3 -ECS相比，中观-WO 3 -ECS 器件消耗的能量更少。

通常，电致变色超级电容器设备必须在快速响应条件下保持循环稳定性。因此，在着色和漂白之间快速切换条件下进行 1000 次循环的额外测试表明，介孔器件如何保留其原始光调制的 85.5%，而紧凑型器件的光调制下降。该团队将介孔器件的出色稳定性归功于其具有大表面积的特征架构，非常适合需要快速响应的动态应用。

电荷转移动力学

金等人。接下来比较了器件的电荷转移和离子动力学，结果表明接触电阻较小，电荷转移电阻较小，离子扩散电阻较低。用于介孔器件。随着功能电流密度的增加，这些器件显示出显着不同的电荷存储能力。该工作表明，与紧凑型器件相比，介孔超级电容器更有希望形成具有出色长期稳定性的快速充电和放电器件。然后，该团队直接查看了超级电容器存储的能量水平。介孔器件的光学对比度没有显着降低，他们认为这是由于其有效和快速的离子传输特性。对于紧凑型器件，光调制显着降低，而电流密度增加，因此紧凑型器件由于离子传输效率低下和电荷转移缓慢而无法实现高速率功能。

印刷和蒸发诱导的自组装

然后，该团队将打印和蒸发诱导的自组装相结合，开发出功能强大、储能、电致变色的超级电容器显示器。这种印刷工艺在蒸发后通过喷嘴产生胶束结构，然后对其进行顺序煅烧和氧等离子体处理，以形成用于储能应用的图案化介孔 WO 3器件。当他们为设备充电时，图案变成深蓝色以指示充电状态。为了证明其作用机制，该团队将设备连接到一个最初发光的白光发光二极管 (LED)，当储存的能量被消耗掉时，该设备会恢复到原来的透明状态。

展望：下一代智能电子产品。

通过这种方式，Jeon-Woo Kim 及其同事开发了基于非晶介孔 WO 3薄膜的多功能电致变色超级电容器。与紧凑型电致变色超级电容器 ( compact -WO 3 -ECS) 相比，介孔电致变色超级电容器 ( meso -WO 3-ECS) 表现出优越的性能。科学家们将此归功于它的大表面积和无定形性质。介孔器件迅速起到电化学反射显示器和存储电荷的作用。这种设置也可以为其他电子设备供电，因为设备上图案的颜色强度表明了内部存储的能量水平。结果将具有形成下一代智能电子产品的巨大潜力。

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