光致變色與電致變色材料演示文稿

光致變色與電致變色材料演示文稿現在是1頁\一共有46頁\編輯于星期二優(yōu)選光致變色與電致變色材料現在是2頁\一共有46頁\編輯于星期二1.1光致變色概念及機理h1/h2光致變色是指一個化合物(A)，受到一定波長光照射時，可發(fā)生特定的光化學反應，生成新的化合物(B)，由于結構的改變導致其吸收光譜發(fā)生變化。而在另一波長光照射或熱的作用下，又能恢復到化合物(A)。外觀上A與B顯示不同的顏色,這種現象就稱為光致變色?，F在是3頁\一共有46頁\編輯于星期二1.2光致變色機理過程中的兩種穩(wěn)態(tài)結構稱為雙穩(wěn)態(tài)結構。雙穩(wěn)態(tài)結構間吸收波長差異越大，光致變色的顏色分辨率越大；雙穩(wěn)態(tài)結構的穩(wěn)定性越好，材料的抗疲勞性就越好機理：物質在光照下由一種穩(wěn)態(tài)結構可逆地轉變?yōu)榱硪环N穩(wěn)態(tài)結構的化學過程。現在是4頁\一共有46頁\編輯于星期二2.光致變色材料

理論上凡是具有雙穩(wěn)態(tài)結構的化合物，且能在光驅動下實現雙穩(wěn)態(tài)結構的可逆轉換，這樣的材料都可以作為光致變色材料。實用性電致變色材料:1.可逆變化循環(huán)次數高2.響應速度快3.分辨率大目前常用的材料有：偶氮化合物，水楊醛縮苯胺類，二芳基乙烯類衍生物等?，F在是5頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是6頁\一共有46頁\編輯于星期二2.1偶氮化合物偶氮化合物通過偶氮基（-N=N-）在光作用下發(fā)生順反異構實現雙穩(wěn)態(tài)結構轉變的。偶氮化合物的順反異構體中，由于反式的共平面性好，有利于增大分子內∏電子的流動性共軛效應得到加強，所以一般情況下反式結構更加穩(wěn)定，且其最大吸收峰位相對于順式結構位于長波長區(qū)?，F在是7頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是8頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是9頁\一共有46頁\編輯于星期二偶氮化合物的優(yōu)缺點優(yōu)點：制備工藝簡單，順反異構體顏色對比度較大，分辨率大。缺點:順式偶氮化合物的穩(wěn)定性遠不如反式，不能組成有效的雙穩(wěn)態(tài)結構。當光照結束后，會由順式自發(fā)變?yōu)榉词?，所以偶氮化合物作為光致變色材料受到一定的限制。通過在偶氮苯兩端引入推，拉電子基團來提高偶氮化合物順式體的穩(wěn)定性。現在是10頁\一共有46頁\編輯于星期二2.2水楊醛縮芳胺水楊醛縮芳胺又稱席夫堿。它是通過水楊醛上鄰羥基的質子轉移來實現雙穩(wěn)態(tài)結構（醌式結構與烯醇式結構）的轉變。在這兩種穩(wěn)態(tài)結構中，由于烯醇式結構共軛度相對醌式結構更小，所以吸收峰位出現在短波長區(qū)，后者位于長波長區(qū)，這種異構體的轉換，相應的顏色由無色和紅色間轉換?，F在是11頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是12頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是13頁\一共有46頁\編輯于星期二但是席夫堿分子中醌式結構的穩(wěn)定性較差，可以通過提高亞氨基上氮原子的堿性和鄰羥基上氫原子的酸性來改善。下圖中相比化合物a來說，由于化合物b中亞甲基位于氮原子和苯環(huán)之間,使得氮原子上的電子密度增強，堿性增強，促使化合物b醌式體形成。同理，化合物c的硝基增強了酚羥基的酸性，更有效地促使了化合物c的醌式體形成。現在是14頁\一共有46頁\編輯于星期二穩(wěn)定性-化合物a<化合物b<化合物c現在是15頁\一共有46頁\編輯于星期二2.3二芳基乙烯類衍生物（1）結構特征二芳基乙烯類衍生物是在乙烯基的1,2-位上連有芳香環(huán)（Ar）的一類化合物，具有一個共軛6

∏電子的己三烯母體結構。如圖3-7所示，其中芳基（Ar）可為苯環(huán)、五元雜環(huán)或稠雜環(huán)等，取代基R可為氫原子、烷基、脂環(huán)烴、芳香烴及鹵原子等。尤其是，當芳香環(huán)（Ar）為呋喃、噻吩或噻唑等雜環(huán)時，二芳基乙烯衍生物將具有明顯的光致變色性質?，F在是16頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是17頁\一共有46頁\編輯于星期二（2）光致變色反應二芳基乙烯分子的雙穩(wěn)態(tài)結構是開環(huán)態(tài)和閉環(huán)態(tài)兩種異構體，其中開環(huán)態(tài)異構體外觀上為白色固態(tài)，稱為無色體；在紫外線照射下，開環(huán)異構體發(fā)生順旋生成閉環(huán)體，閉環(huán)異構體一般呈現很深的顏色，稱為呈色體。二芳基乙烯分子根據取代基及其取代位置的不同，閉環(huán)態(tài)的吸收波長也有所不同，可呈現不同的顏色，如黃色、紅色、藍色、綠色等?，F在是18頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是19頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是20頁\一共有46頁\編輯于星期二由上可以看出在開環(huán)態(tài)中，由于兩個噻吩環(huán)不共平面，

∏

電子定域在各自的噻吩雜環(huán)中，使得開環(huán)態(tài)的二噻吩乙烯分子的最大吸收波長在300nm處。當開環(huán)體在紫外線輻照下發(fā)生光異構化生成閉環(huán)態(tài)，兩個噻吩環(huán)位于同一個平面上，共軛程度增加，使得最大吸收波長紅移至可見光區(qū)域600nm處，呈色體為鮮艷的藍色?，F在是21頁\一共有46頁\編輯于星期二2.4螺吡喃類化合物螺環(huán)化合物是指兩個碳（雜）環(huán)共用一個碳原子（又稱螺原子），當有一個雜環(huán)為吡喃環(huán)，即為螺吡喃。螺吡喃（spiropyran）是研究得較早的一類有機光致變色化合物，其變色過程是通過分子內周環(huán)反應，實現由閉環(huán)異構體向開環(huán)異構體的轉變，如圖所示?，F在是22頁\一共有46頁\編輯于星期二螺吡喃化合物閉環(huán)異構體是熱力學穩(wěn)定結構，開環(huán)態(tài)呈色體穩(wěn)定性不好，因此，螺吡喃作為光致變色材料的抗疲勞性較差，易被氧化降解?，F在是23頁\一共有46頁\編輯于星期二在螺吡喃化合物的閉環(huán)態(tài)中，螺原子兩邊的雜環(huán)之間沒有共軛關系，最大吸收波長在紫外線區(qū)域，為無色體。當閉環(huán)態(tài)在紫外線輻照下發(fā)生光異構化生成開環(huán)態(tài)，分子生成兩個共軛雙鍵并與兩端的苯環(huán)共軛相連，因為開環(huán)異構體（半花菁結構）的共軛效應得到加強，促使最大吸收波長紅移至可見光區(qū)域，而呈現鮮艷的顏色。螺吡喃化合物的變色機制現在是24頁\一共有46頁\編輯于星期二螺噁嗪（spirooxazine）化合物的光致變色是在螺吡喃基礎上發(fā)展起來的，其變色過程與螺吡喃相似現在是25頁\一共有46頁\編輯于星期二3.光致變色材料的應用1.光開關器件：有機光致變色材料可以在一定波長光的照射下，由一種穩(wěn)態(tài)結構A變?yōu)榱硪环N穩(wěn)態(tài)結構B，而在另一種波長或加熱下又可以有B可逆的變化A。如果將這兩種穩(wěn)態(tài)結構分別對應著“開”與“關”兩種狀態(tài)，從而實現光開關。如：二噻吩乙烯衍生物，以開環(huán)異構體為“關”的狀態(tài)，閉環(huán)異構體為“開”的狀態(tài),通過光子調控（300nm光波和白光），可以可逆實現開環(huán)和關環(huán)異構體間轉換。現在是26頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是27頁\一共有46頁\編輯于星期二信息存儲包括將信息在介質上“寫入”和“讀出”這兩個功能。同樣讓雙穩(wěn)態(tài)結構分別對應一種功能，可以實現信息的寫入與讀出。流程：1.寫入過程.A→B,hv1寫入光2.讀出過程.B*→Bhv3讀出光

3.擦除過程.B→Ahv2擦除光例如：螺吡喃化合物，其寫入光為300nm，讀出光為600nm.2.光信息存儲現在是28頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是29頁\一共有46頁\編輯于星期二光盤信息存儲技術發(fā)展狀況和前景密度（容量）：CD:650MB(780nm)DVD:4.7-17GB(650nm)Blue-rayDisc:27GB(405nm)速度：25Mbits/s存儲器：體積小，價格低，可移動，能擦寫。現在是30頁\一共有46頁\編輯于星期二3.其他方面應用變色眼鏡現在是31頁\一共有46頁\編輯于星期二四.電致變色材料電致變色（EO）是指在電場作用下發(fā)生穩(wěn)定，可逆的氧化還原反應，外觀上表現為顏色或透明度可逆變化的現象。具有電致變色特性的材料稱為電致變色材料，由電致變色材料制備的器件稱為電致變色器件。電致變色的工作原理：電致變色材料在外加電場作用下發(fā)生電化學氧化還原反應，得失電子，使材料的顏色發(fā)生變化?，F在是32頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是33頁\一共有46頁\編輯于星期二有機電致變色材料可以分為有機小分子電致變色材料和導電聚合物電致變色材料兩大類。有機小分子變色材料的典型代表就是紫羅精類化合物，該類物質在氧化還原過程中會出現顏色變換.導電聚合物電致變色材料是隨著共軛高聚物經小分子摻雜而顯示出很高的導電性并且出現電致變色現象以后，而快速的發(fā)展起來。具有費用低、光學質量好、顏色轉換快、循環(huán)可逆性好等優(yōu)點而受到重視。導電聚合物變色的原理主要是其摻雜過程，摻雜的實質是離子等在高分子鏈中的遷入與遷出行為，同時伴隨著電子的得失，其實是一個氧化還原可逆過程。有機電致變色材料分類現在是34頁\一共有46頁\編輯于星期二同：都是通過雙穩(wěn)態(tài)結構的可逆轉變實現變色。異：1.驅動力不同，分別光場和電場

2.機理不同。光致變色通過有機化合物價鍵異構化，鍵斷裂等實現轉變；而電致變色大多涉及電子的得失反應。有機電致變色材料主要有：聚噻吩類及其衍生物，紫羅精類，金屬酞菁類化合物等。電致變色與光致變色異同點:現在是35頁\一共有46頁\編輯于星期二電致變色材料應滿足以下要求：

(1)具有良好的電化學氧化還原可逆性；(2)快速的變色響應；(3)顏色的可逆變化；(4)顏色變化的高度靈敏；(5)有較高的循環(huán)壽命；(6)有一定的存貯記憶功能；(7)穩(wěn)定的化學特性?，F在是36頁\一共有46頁\編輯于星期二4.1紫精衍生物紫精：1，1`-二甲基-4,4`-聯吡啶鹽（DMP）在還原態(tài)時顯紫色，故稱為紫精。紫精衍生物具有優(yōu)良的氧化還原性質，并且會伴隨顯著的顏色變化。氧化還原過程：1.由二價陽離子可逆轉變?yōu)橐粌r。V2+≒V1+2.由一價陽離子可逆轉變?yōu)榱銉r。V1+≒V0其中二價陽離子最穩(wěn)定，在可見光區(qū)無吸收，為無色體。一價陽離子共軛程度增大，吸收峰位紅移，顯藍色。零價紫精呈醌式結構，顏色變淺，呈黃色。現在是37頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是38頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是39頁\一共有46頁\編輯于星期二4.2金屬酞菁酞菁（Pc）指具有C2h對稱性的四氮雜卟啉環(huán)結構的化合物。以稀土金屬為中心離子，制得由兩個酞菁環(huán)夾持金屬離子的雙核結構的金屬酞菁。其電致變色響應速度快，功耗小，溫度范圍寬，但是缺點是循環(huán)次數不夠高。例：鑥酞菁LuH(Pc)2本身為綠色外加電壓下依次失去電子，顏色變化分別為，綠色，藍色，紫色。現在是40頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是41頁\一共有46頁\編輯于星期二五.電致變色器件電致變色器件（ECD）就是利用物質的電致變色效應，以電致變色層為基礎，輔以其它相關層和結構而構成的器件。其具有視角寬、驅動電壓低、無功耗記憶等獨特優(yōu)點。有固態(tài)，半固態(tài)，液體三種形式。目前，已經產業(yè)化的電致變色器件有以下幾類：電致變色智能調光玻璃、電致變色顯示器、汽車自動防眩目后視鏡等?，F在是42頁\一共有46頁\編輯于星期二器件結構從上到下分別為：玻璃或透明基底材料、透明導電層（如：ITO）、電致變色層、電解質層、離子存儲層、透明導電層（如：ITO）、玻璃或透明基底材料。

現在是43頁\一共有46頁\編輯于星期二現在是44頁\一共有46頁\編輯于星期二加上一定的電壓器件工作時，在兩個透明導電層之間加上一定的電壓，電致變色層材料在電壓作用下發(fā)生氧化還原反應，顏色發(fā)生變化；而電解質層則由特殊的導電材料組成，如包含有高氯酸鋰、高氯酸納等的溶液或固體電解質材料以提供電致變色材料所需的補償離子；器件工作原理離子存儲層在電致變色材料發(fā)生氧化還原反應時起到儲存相應的反離