Inchiostro elettrocromico nero con un metodo semplice che utilizza la sospensione di nanoparticelle di ossido di rame

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7774 (2023) Citare questo articolo

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I materiali elettrocromici (EC) per finestre intelligenti devono presentare un colore scuro e bloccare la luce visibile (lunghezza d'onda = 380–780 nm) per ridurre l'impatto ambientale. In particolare, sono desiderate anche le tonalità del nero, e ci sono molte segnalazioni di tentativi di creare queste tonalità scure utilizzando materiali organici come i polimeri. Tuttavia, i loro metodi di fabbricazione sono complicati, costosi e possono persino utilizzare sostanze pericolose; inoltre, spesso non sono sufficientemente durevoli, ad esempio in seguito all'esposizione alla luce ultravioletta. Sono stati segnalati alcuni casi di materiali neri che utilizzano il sistema CuO come materiale inorganico, ma il metodo di sintesi era complicato e la funzionalità non era stabile. Abbiamo trovato un metodo per sintetizzare nanoparticelle di CuO semplicemente riscaldando il carbonato basico di rame e regolando il pH con acido citrico per ottenere facilmente una sospensione. Utilizzando la sospensione sviluppata sono state dimostrate anche la formazione e la funzionalità dei film sottili di CuO. Questa ricerca consentirà la creazione di finestre intelligenti CE utilizzando materiali e metodi inorganici esistenti, come la tecnologia di stampa, ed è il primo passo verso lo sviluppo di materiali inorganici scuri rispettosi dell’ambiente, economici e funzionali.

I materiali elettrocromici (EC) mostrano proprietà ottiche reversibili tramite reazioni redox elettrochimiche, rendendo possibile il controllo della trasmittanza e dell'assorbimento nelle regioni del vicino infrarosso (NIR) e del visibile1,2. Grazie a questa capacità unica, i materiali EC possono essere sfruttati per sviluppare dispositivi elettrocromici (ECD), ampiamente utilizzati per display3, sensori4, dispositivi di accumulo di energia5 e finestre intelligenti6,7. I materiali CE sono principalmente classificati come inorganici o organici. I materiali inorganici includono ossidi di metalli di transizione (ad esempio, ossido di tungsteno8, ossido di nichel9) e complessi inorganici (ad esempio, struttura organica10). I materiali organici sono costituiti da molecole organiche coniugate con π (ad esempio viologeno11), polimeri conduttivi (ad esempio poliimmide12, politiofene13), ecc. I materiali EC inorganici offrono numerosi vantaggi rispetto a quelli organici, tra cui elevata stabilità chimica ed efficienza, nonché un effetto memoria dopo aver rimosso la tensione esterna, che sono fattori significativi che regolano le applicazioni ECD1.

Tra i materiali EC esistenti negli ECD, quelli che passano dallo stato trasparente a quello blu sono già stati commercializzati14, ma ora sono necessarie tinte grigie o nere per soddisfare la recente domanda di stati più scuri sia per ragioni di progettazione che per ridurre l’impatto ambientale. Se tali sistemi di materiali potessero essere realizzati, potrebbero essere utilizzati come materiale per i finestrini nei veicoli di prossima generazione, come i veicoli elettrici e i veicoli a celle a combustibile, che si prevede diventeranno più popolari in futuro. Se applicati ai finestrini, questi materiali possono ridurre i costi dell’elettricità e aumentare l’autonomia di questi veicoli riducendo il carico dell’aria condizionata.

Ad oggi, diversi studi hanno dimostrato materiali EC neri. Tuttavia, molti di questi materiali segnalati rimangono nella fase di ricerca di base perché sono organici15,16,17,18, richiedono una varietà di materiali per la sintesi, sono complessi e richiedono molto tempo per essere elaborati e in alcuni casi hanno un grande impatto ambientale . Pertanto sono necessari sistemi di materiali EC in grado di esprimere il nero in modo più semplice.

Il nostro gruppo ha sviluppato inchiostri basati su dispersioni acquose di ossido di tungsteno (WO3) e nanoparticelle di PB (NP) per l'applicazione nei processi a umido per preparare film sottili EC8,10. Tra i processi a umido, la stampa19 e il rivestimento20,21 offrono il vantaggio di consentire la fabbricazione di film sottili EC su substrati su larga scala in breve tempo e a basso costo. Inoltre, queste tecniche sono vantaggiose per la preparazione di pellicole sottili su substrati di vetro e substrati flessibili.

In questo studio, abbiamo sviluppato un metodo semplice per preparare sospensioni disperse di CuO NP utilizzando carbonato basico di rame (II) come materiale di partenza e acido citrico per regolare il pH dell'acqua. Sebbene i metodi per produrre particelle di CuO di dimensioni nanometriche siano stati ampiamente studiati22,23,24,25, sono state effettuate pochissime ricerche sulla preparazione di sospensioni stabili e disperse di CuO NP, che sono rivestimenti in fase liquida essenziali per la produzione di film sottili26,27. Sono ben documentate le applicazioni biomediche delle NP di CuO, ad esempio, come materiali per sensori, sensori di glucosio, sensori di H2O2, sensori di dopamina e guarigione delle ferite28. Le sospensioni colloidali contenenti NP di ossidi hanno un potenziale significativo per l'applicazione su scala industriale, perché sono facili da applicare nei processi di produzione continui, come la stampa e il rivestimento di film nanostrutturati29. Sono stati fatti diversi tentativi per preparare sospensioni colloidali di CuO utilizzando soluzioni a base di nitrati e acetato26,30,31,32.