[科普中國]-電致變色材料

電致變色材料是指材料的光學(xué)屬性（反射率、透過率、吸收率等）在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。具有電致變色性能的材料稱為電致變色材料。電致變色材料分為無機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。無機(jī)電致變色材料的典型代表是三氧化鎢，以WO3為功能材料的電致變色器件已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。而有機(jī)電致變色材料主要有聚噻吩類及其衍生物、紫羅精類、四硫富瓦烯、金屬酞菁類化合物等。以紫羅精類為功能材料的電致變色材料已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。

電致變色現(xiàn)象電致變色是指在電場作用下，材料發(fā)生可逆的變色現(xiàn)象。電致變色實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)后材料在外觀上表現(xiàn)出顏色的可逆變化。例如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等及其衍生物，在可見光區(qū)都有較強(qiáng)的吸收帶。同時(shí)，在摻雜和非摻雜狀態(tài)下顏色要發(fā)生較大變化，其中中性態(tài)是穩(wěn)定態(tài)。導(dǎo)電聚合物既可以氧化(p型)、摻雜，也可以還原(n型)摻雜。在作為電致變色材料使用時(shí)，兩種摻雜方法都可以使用，但以氧化摻雜比較常見。摻雜過程可以由施加電極電勢(shì)來完成。其中材料的顏色取決于導(dǎo)電聚合物中價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差，以及在摻雜前后能量差的變化。

電致變色材料是指在外電場及電流的作用下，可發(fā)生色彩變化的材料即為電致變色材料。其本質(zhì)是材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)在電場作用下發(fā)生改變，進(jìn)而引起材料吸收光譜的變化。根據(jù)顏色變化的過程分類，可分為顏色單向變化的不可逆變色材料，以及更具應(yīng)用價(jià)值的顏色可以雙向改變的可逆變色的材料。1

無機(jī)電致變色材料無機(jī)電致變色材料主要指某些過渡金屬的氧化物、配合物、水合物以及雜多酸等。常見的過渡金屬氧化物電致變色材料中屬于陰極變色的主要是Ⅵ族金屬氧化物，有氧化鎢、氧化鉬等；屬于陽極變色的主要是Ⅷ族金屬氧化物，如鉑、銥、鋨、鈀、釕、鎳、銠等元素的氧化物或者水合氧化物，其中鎢和釩氧化物的使用比較普遍。氧化銥的響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，但是價(jià)格昂貴。無機(jī)電致變色材料的離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)對(duì)于電致變色也起重要作用。這類材料的穩(wěn)定性好，與常規(guī)無機(jī)非金屬材料的結(jié)合性能優(yōu)異，是制備電致變色玻璃的主要材料之一。2

有機(jī)小分子電致變色材料根據(jù)電化學(xué)理論，某些小分子在電極電勢(shì)作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，如果反應(yīng)后其吸收光譜和摩爾吸收系數(shù)發(fā)生較大變化，則這種物質(zhì)就可以作為電致變色材料?？梢园l(fā)生電致變色的有機(jī)物質(zhì)非常廣泛，從研究成果和實(shí)用角度考慮，有機(jī)小分子電致變色材料主要包括有機(jī)陽離子鹽類和帶有有機(jī)配位體的金屬配合物。

紫羅精類衍生物屬于陰極變色材料，當(dāng)對(duì)其施加負(fù)電壓時(shí)，可令其發(fā)生還原反應(yīng)改變其氧化態(tài)而顯色。其中全氧化態(tài)為穩(wěn)定態(tài)，多數(shù)呈現(xiàn)淡黃色；單氧化態(tài)為變色態(tài)，其最大吸收波長在可見光區(qū)，吸收特定波長的可見光后呈現(xiàn)強(qiáng)烈的補(bǔ)色；得到兩個(gè)電子的全還原態(tài)摩爾吸收系數(shù)不大，顏色不明顯。其顯示的顏色與連接的取代基種類有一定關(guān)系，主要是取代基的電子效應(yīng)在起作用。當(dāng)取代基為烷基時(shí)，單還原產(chǎn)物呈現(xiàn)藍(lán)紫色，芳香取代基衍生物通常呈現(xiàn)綠色。顏色的深淺取決于材料的摩爾吸收系數(shù)值，摩爾吸收系數(shù)的大小與分子結(jié)構(gòu)分子的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。單氧化態(tài)的紫羅精自由基陽離子的摩爾吸收系數(shù)非常高，在較低濃度下就可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的顏色變化。紫羅精具有非常好的氧化還原可逆性，在反復(fù)氧化還原過程中能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。大部分的紫羅精單陽離子自由基通過自旋成對(duì)而形成反磁性的二聚體。二聚體與單體的吸收光譜也不同。如甲基紫羅精陽離子自由基的單體在水溶液中是藍(lán)色的，而二聚體是紅色的。2

電致變色材料的應(yīng)用具有實(shí)用價(jià)值的電致變色高分子材料必須具備顏色變化的可逆性、顏色變化的方便性和靈敏性、顏色深度的可控性、顏色記憶性、驅(qū)動(dòng)電壓低、多色性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。研究開發(fā)的電致變色高分子材料已經(jīng)基本具備上述性質(zhì)，電致變色材料的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)促使各種電致變色器件的研制和開發(fā)迅速發(fā)展，電致變色器件基本上是由電子源和離子源、透明導(dǎo)電層、電致變色層、電解質(zhì)層、電極層等構(gòu)成。

電致變色材料可以用于研制開發(fā)信息顯示器件、電致變色智能調(diào)光窗、無眩反光鏡和電色信息存儲(chǔ)器等，此外，在一些近年來的技術(shù)產(chǎn)品中，如變色鏡、高分辨率光電攝像器材、光電化學(xué)能轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存器、電子束金屬版印刷技術(shù)等也獲得了應(yīng)用。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)