极速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。智能窗户是一种平台，当施加光、电压或热量时，可以改变其透光特性。科学家可以利用电压来控制光通过材料的比例，从而在电荷转移过程中实现从透明材料到不透明材料的电切换。虽然这种功能与能量储存和释放有关，但同样的材料也可以用于能量储存。在一份新的报告中，韩国浦项科技大学的金全佑(Jeon-Woo Kim)和一组科学家开发并改进了三氧化钨(WO3)的制备。他们使用蒸发诱导自组装工艺来沉积带孔的三氧化钨薄膜。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。这项工作已经发表在《自然亚洲材料》杂志上。

光子学：智能窗户和能量存储

在这项工作中，金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。电致变色器件(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、军事伪装等领域具有广阔的应用前景。这些装置还可以控制透光率，可用作适应气候和节能建筑的材料。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。作为下一代电化学元件，这种超级电容器被越来越多的研究，它可以改变自身的光学特性并储存所提供的能量。因此，它们固有的光学性质可以直接揭示储存在其中的实时能级。由于其优异的电化学性能，研究人员已经开发了使用基于过渡金属氧化物(例如三氧化钨)的电致变色发色团的高性能器件。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，该产品作为下一代建筑和便携式储能智能窗材料将具有广泛的意义。

开发新材料和制造设备

科学家详细介绍了以四氢呋喃、聚苯乙烯嵌段聚氧化乙烯和乙醇六氯化钨(WCl 3)为三氧化钨前驱体的制造工艺。所得薄膜含有无机-有机化合物。然后，他们煅烧复合材料，以部分去除有机成分，并将其余部分转化为无定形碳。三氧化钨由无机成分缩合而成，得到的复合膜含有碳/三氧化钨结构。研究小组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。利用扫描电子显微镜(SEM)，科学家们支持了所获得的三氧化钨(WO 3)膜的介孔结构，具有小孔(小于30纳米)和大约250纳米的厚度。

为了进行比较，他们还开发了一种使用WO 3纳米粒子的紧凑型器件，称为紧凑型WO 3 -ECs。之后，他们记录了不同外加电压下紫外和可见光透射光谱的电致变色行为，以了解这两种器件的电致变色行为。当施加的电压增加时，由于设置中的氧化还原反应，透射率在整个可见波长范围内逐渐降低。然后，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

为了比较两种器件的电致变色动态响应，Kim等人记录了在700纳米和交变电势下的透射率曲线。meso -WO 3 -ECS装置在0.8秒内显示出大的光学调制和超快速着色，在0.4秒内显示出漂白时间，特别是比以前报道的要快。该团队没有使用紧凑型WO 3 -ECS在相同条件下获得类似的稳定着色和漂白条件。结果取决于装置的表面积，中型WO 3 -ECS装置比紧凑型WO 3 -ECS装置消耗的能量少。

通常，电致变色超级电容器装置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的条件下的1000个循环的额外测试表明，介孔器件如何保持其原始光调制的85.5%，而紧凑器件的光调制降低。该团队将介孔器件的优异稳定性归因于其大表面积的特征架构，这非常适合需要快速响应的动态应用。

电荷转移动力学

然后，对器件的电荷转移和离子动力学进行了比较，结果表明接触电阻、电荷转移电阻和离子扩散电阻较小。用于介孔器件。随着功能电流密度的增加，这些器件表现出明显不同的电荷存储能力。这项工作表明，与紧凑型器件相比，介孔超级电容器更有希望形成具有优异长期稳定性的快速充放电器件。然后，研究小组直接看超级电容器中储存的能量水平。介孔器件的光学对比度没有显著降低，他们认为这是由于其高效和快速的离子传输特性。对于紧凑型器件，光调制显著降低，而电流密度增加。因此，由于离子传输效率低和电荷转移慢，紧凑型器件不能实现高速功能。

印刷和蒸发诱导的自组装

然后，该团队将印刷与蒸发诱导自组装相结合，开发了一种具有强大功能、能量存储和电致变色特性的超级电容器显示器。在该印刷过程中，蒸发后，通过喷嘴产生胶束结构，然后依次煅烧并通过氧等离子体处理，以形成用于能量存储应用的图案化介孔WO 3器件。当他们给设备充电时，图案变成深蓝色，表示充电状态。为了证明其机制，该团队将该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时，设备将返回到其原始的透明状态。

前景：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。