《AFM》可逆、高对比度、电致/电荧光/光致变色的水凝胶

介绍

已经开发出越来越多的材料显示出多功能显色特性（如电致变色、电致荧光变色或光致变色），但迄今为止，很少有材料同时显示所有这三种特性。具有电化学和光学活性的材料对包括智能窗户、照明、传感、能源生产和保护在内的各种应用具有吸引力。这对于对适应性或环境响应式外墙感兴趣的建筑开发商尤其有吸引力。实现由经济高效、易于合成的材料制成的系统将使它们易于在各种领域中使用。

摘要

最近，北卡罗来纳大学夏洛特分校Michael G. Walter教授团队使用水溶性显色噻唑 (5,4-d) 噻唑 (TTz) 染料开发了低成本器件，这些染料在三个领域显示出高器件性能：电致变色、电荧光变色和光致变色，并且都包含在高荧光水性聚乙烯中酒精/硼砂水凝胶装置。这些染料结合了刚性的杂环 Ttz 结构，可以开发具有优异可逆性和稳定循环 250 次循环的器件。含 Ttz 水凝胶的装置在光照下也表现出光致变色，可以通过电化学循环回到无色状态。此外，将光致变色与电致变色耦合降低了可比较的电致变色颜色变化所需的功率。最后，含有水凝胶的装置还显示出电荧光变色，其中荧光可以关闭 > 90%。相关论文以题为Obtaining Reversible, High Contrast Electrochromism, Electrofluorochromism, and Photochromism in an Aqueous Hydrogel Device Using Chromogenic Thiazolothiazoles发表在《Advanced Functional Materials》上。

主图

示意图1 四种研究的双吡啶鎓 Ttz 衍生物的合成：i)在 DMF 中 150 °C，6 小时和 ii)在 DMF 中与 (CH₃)₃N(CH₂)₂Br 加热，或与 CH₃C₆H₄SO₃CH₃、(CH₂)₃SO₃或C₇H₇Br 一起加热。

图1 a) CGDs 的装置组装示意图，b) TTz 的两次单电子还原，以及 c) CGD 在（从左到右）无色/淡黄色双阳离子 (TTz²⁺) 状态、紫色自由基阳离子 (TTz^•+) 的图片 状态和蓝色中性 (TTz⁰) 状态。

图2 1:2 TTz:Fc(CH₂OH)₂ CGDs 的透射光谱，0–2.5 V 应用于 a) Me₂TTz²⁺、b) (NPr)₂TTz⁴⁺、c) (SPr)₂TTz 和 d) Bz₂TTz²⁺。

图3 1:2 (NPr)₂TTz⁴⁺:Fc(CH₂OH)₂CGD 透射光谱，当器件 a) 循环开/关 0 V/1.8 V（20 秒开/关）250 个循环（710 nm），b）打开（ 1.8 V) 持续 60 分钟 (710 nm)，以及 c) 根据循环图计算的 EC 特性表 * 获得 90% 全对比度所需的时间。

图4 1:2 Bz2TTz²⁺:Fc(CH₂OH)₂CGD 的荧光 a) 在 0、1、1.5、2 和 2.5 V (λ_ex=419 nm)，b) 循环（20 秒开/关 0 V/1.8 V）25 循环（λ_ex=419 nm，λ_em=463 nm）和 c) EFC 性能表。

图5 1:2 (NPr)₂TTz⁴⁺:Fc(CH₂OH)₂ 的光致变色光谱，100 mW cm^-2 照明 1–30 分钟 a) 不施加电压（TTz 凝胶装置的插图图像，照明 15 和 25 分钟）施加 0.8 V，c) 光致变色作用，然后通过设备的电致变色循环关闭。

总结

开发了水基水凝胶 CGD，显示出高电致变色和 EFC 对比度/可逆性，同时还表现出光致变色活性。使用水溶性双吡啶鎓 TTz 衍生物和 PVA/硼砂聚电解质水凝胶的简单 FTO/水凝胶/FTO 设备配置产生了多功能 CGD。一些器件能够在 2 V 的驱动电压下实现 75% 的透射率对比度或仅在光照下实现 50% 的对比度。Ttz CGD 的循环性和可逆性非常好，在250次开/关循环后仅损失 6% 的透射率对比度或在施加电压 1 小时后损失 1% 的透射率对比度。此外，值得注意的是，这些设备在环境、水性条件下运行。在电荧光变色的情况下，应用 2.5 V 可以关闭>90% 的荧光。这些特性使 TTz CGDs 成为自动变暗玻璃、传感器、荧光显示器应用的有希望的候选者，最适用于窗户，其中，CGD 可以在施加电压、曝光或两者结合的情况下根据命令变暗。

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