5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.5. Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu màng điện sắc viologen
Như đã trình bày ở các phần trước, kết quả khảo sát tính chất quang điện hóa của vật liệu cho thấy các vật liệu màng điện sắc viologen có độ hồi đáp màu cao (dưới 10 s) và đa màu sắc (tím, vàng, xanh). Màu sắc vật liệu có thể kiểm soát thông qua điện thế hoặc nồng độ của viologen. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của viologen trong lĩnh vực quang điện tử. Trong khuôn khổ của đề tài, chúng tôi thực hiện các thí nghiệm khảo sát khả năng ứng dụng của DBV để làm kính thông minh.
Ngày nay, vật liệu bằng kính là một loại vật liệu được sử dụng rất nhiều trong các công trình kiến trúc, nhằm làm tăng tính thẩm mỹ cũng như tạo cảm giác thoải mái, rộng rãi nhờ đặc tính trong suốt. Tuy nhiên, điều này cũng là một bất tiện bởi với vật liệu kính thông thường, chẳng hạn ảnh hưởng đến sự riêng tư hoặc cường độ ánh sáng xuyên qua nó quá lớn, làm tăng nhiệt độ bên trong. Điều khiển cường độ màu của kính có thể khắc phục được hai nhược điểm trên.
Hình 3.13 là kết quả của thí nghiệm mô phỏng về sự ảnh hưởng của màu sắc tấm kính đối với sự riêng tư của không gian phía sau tấm kính. Nếu đặt một vật thể phía sau tấm kính (điện cực ITO) trong điều kiện bình thường, tức là khi chưa áp thế (hình 3.13a), thì vật thể phía sau được quan sát rất rõ. Nhưng nếu điện cực ITO được áp điện thế -0.8 V thì điện cực có màu tím do hình thành vật liệu màng DBV+/ITO, khi đó vật thể phía sau không được nhìn thấy nữa (hình 3.13b). Khi đó, không gian phía sau tấm kính đảm bảo sự kín đáo và riêng tư cần thiết.
Hình 3.13.Thí nghiệm mô phỏng về sự ảnh hƣởng của màu sắc tấm kính đối với sự riêng tƣ của không gian phía sau tấm kính
Các mô hình thiết bị có kích thước và kiểu dáng khác nhau (Hình 3.14) cũng đã được nhóm thử nghiệm.
Hình 3.14. Mô hình các thiết bị điện sắc
Quá trình khảo sát khả năng xuất hiện màu và mất màu của thiết bị sử dụng phân tử viologen được thực hiện trên hệ cấp phát nguồn một chiều đa xung. Xung của điện thế ngoài: dạng zigzac, chu kỳ: 50 s. Cường độ màu của điện cực phụ thuộc vào điện thế (Hình 3.15), cụ thể là:
-Màu của thiết bị không được quan sát khi áp thế (điện trường) ngoài với giá trị trong khoảng E = 0V 1V;
-Màu tím nhạt được quan sát khi điện thế ngoài được tăng đến giá trị E = 1.5V 2.5V;
-Cường độ màu thay đổi từ nhạt đến đậm khi giá trị điện thế ngoài cao hơn 3.3V (E 3.3V). Trạng thái màu tím này có độ ổn định cao. Các sai hỏng xuất hiện trên nền màu tím được cho là các vết keo bẩn trong quá trình thiết kế chế tạo thiết bị.
Hình 3.15. Quá trình chuyển đổi màu sắc của hệ vật liệu DBV theo điện thế trên thiết bị điện sắc NSF:ITO/DBV
Quá trình xuất hiện màu – mất màu cũng được nhóm nghiêm cứu thực hiên trên thiết bị điện sắc QNU:ITO/DBV (Hình 3.16). Kết quả thu được cho thấy, quá trình lên màu – nhả màu xảy ra khi áp thế dạng xung zigzac với điện áp E1 = 0V và E2 = 3.6V. Thời gian lên màu và nhả màu tương ứng là Tc = 3s và Tdc = 15s.
.
Hình 3.16. Quá trình xuất hiện màu và mất màu (coloring - decoloring process) của thiết bị điện sắc QNU:ITO/DBV
Mô hình thiết bị điện sắc về mái nhà thông minh định hướng ứng dụng trong nông nghiệp (Hình 3.17)
Hình 3.17. Mô hình Smart roof
Hình 3.18 mô tả sự thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào nhà kính với thiết bị điện sắc smart-roof:DBV/ITO. Khi thiết bị chưa hoạt động, mái nhà hoàn toàn trong suốt (mũi tên màu xanh phía trên – Hình 3.18a). Ngược lại, khi thiết bị hoạt động (được áp thế), màu sắc của mái nhà thay đổi từ trong suốt sang tím (mũi tên màu đỏ phía trên – Hình 3.18b). Cường độ ánh sáng xuyên mái lúc thiết bị chưa hoạt động (vòng tròn xanh Hình 3.18a) là cao hơn lúc thiết bị hoạt động (vòng tròn đỏ Hình 3.18b).
Hình 3.18. Ảnh hƣởng của sự thay đổi màu sắc thay đổi màu sắc đến cƣờng độ ánh sáng xuyên qua vật liệu của thiết bị điện sắc smart-roof:ITO/DBV
Như vậy, bằng cách kiểm soát cường độ màu của thiết bị điện sắc, chúng ta hoàn toàn điều khiển được cường độ ánh sáng chiếu qua mái nhà.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
1. Đã nghiên cứu tính chất quang điện hóa của hệ vật liệu DBV, DEV bằng phương pháp CV và UV-Vis. Màu sắc của điện cực ITO phụ thuộc vào trạng thái oxi hóa của viologen.
2. Đã tổng hợp hệ màng viologen đơn cấu tử (DEV, DBV) và đa cấu tử (DEV và DBV) bằng phương pháp CA; vật liệu màng thu được có tính đa sắc màu (xanh/tím/vàng) và tính hồi đáp cao, thời gian hồi đáp của quá trình tạo màu cũng như mất màu là trong 10 giây.
3. Đã khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ đến tính chất điện sắc của các viologen, màu sắc của vật liệu được kiểm soát không chỉ thông qua điện thế mà còn thông qua nồng độ của viologen, cường độ màu tăng khi nồng độ viologen trong dung dịch tăng.
4. Đã thực hiện các thí nghiệm mô phỏng về ứng dụng của vật liệu màng điện sắc viologen làm vật liệu kính thông minh. Màu sắc của kính có thể kiểm soát thông qua điện thế.
Kiến nghị
1. Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác đến tính chất điện sắc của viologen như pH hoặc dung môi.
2. Nghiên cứu độ bền của các vật liệu màng theo thời gian hay dưới tác dụng của nhiệt độ cũng như khả năng ngăn cản các tia bức xạ của chúng.
3. Thử nghiệm hoạt động của thiết bị điện sắc sử dụng năng lượng mặt trời.
4. Kết hợp hệ thống điều khiển từ xa để kiểm soát cường độ ánh sáng chiếu qua nhà kính.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
[1] Bùi Đức Ái, Nguyễn Duy Điền, Phùng Thị Yến Nhi, Võ Minh Hiếu, Nguyễn Huy Hoàng, Dương Thị Thảo, Nguyễn Thị Hồng Linh, Phan Thanh Hải, Huỳnh Thị Miền Trung “Tính chất quang điện hóa của vật liệu viologen trên nền ITO trong môi trường acid”, Tạp chí Phân tích Hóa-Lý-Sinh.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Z. Wang et al. Towards full-colour tunability of inorganic electrochromic
devices using ultracompact fabry-perot nanocavities, Nature
Communications (2020), 11, 302
[2] H.Li et al. Rechargeable Aqueous Electrochromic Batteries Utilizing Ti-
Substituted Tungsten Molybdenum Oxide Based Zn2+Ion Intercalation Cathodes, Advanced material (2019) 31, 1807065.
[3] C.G.Granqvist et al. Electrochromic materials and devices for energy efficiency and human comfort in buildings: A critical review Electrochimica Acta, (2018), 259,1170
[4] K. Madasamy, et al. Viologen-based electrochromic materials and devices, J. Mater. Chem. C (2019),7, 4622
[5] A. Chaudhary et al. Polythiophene–PCBM-Based All-Organic Electrochromic Device: Fast and Flexible, CS Appl. Electron.
Mater.(2019), 1, 1, 58
[6] B. Che et al., A highly bendable transparent electrode for organic electrochromic devices,Organic Electronics (2019),66, 86
[7] S. Wang et al., Organic-inorganic hybrid electrochromic materials, polysilsesquioxanes containing triarylamine, changing color from colorless to blue, Scientific Reports (2017), 7, 14627
[8] Shah, K. W., Wang, S.-X., Soo, D. X. Y., & Xu, J. (2019). Viologen- Based Electrochromic Materials: From Small Molecules, Polymers and Composites to Their Applications. Polymers, 11(11), 1839.
[9] Sudnitsyn, I. I., Smagin, A. V., & Shvarov, A. P. (2012). The theory of
Maxwell-Boltzmann-Helmholtz-Gouy about the double electric layer in disperse systems and its application to soil science (on the 100th
anniversary of the paper published by Gouy). Eurasian Soil Science,
45(4), 452–457.
[10] Grahame, D. C. (1947). The Electrical Double Layer and the Theory of
Electrocapillarity. Chemical Reviews, 41(3), 441–501.
[11] Signorelli, R., Ku, D. C., Kassakian, J. G., & Schindall, J. E. (2009). Electrochemical Double-Layer Capacitors Using Carbon
Nanotube Electrode Structures. Proceedings of the IEEE, 97(11), 1837–
1847.
[12] Oldham, K. B. (2008). A Gouy–Chapman–Stern model of the double
layer at a (metal)/(ionic liquid) interface. Journal of Electroanalytical
Chemistry, 613(2), 131–138.
[13] J. W. Kim et al., Flexible and Transparent Electrochromic Displays with
Simultaneously Implementable Subpixelated Ion GelBased Viologens by Multiple Patterning, Advanced Functional Materials (2019), 29, 1808911
[14] E. Hwang, S. Seo, S. Bak, H. Lee, M. Min and H. Lee, An Electrolyte- Free Flexible Electrochromic Device Using Electrostatically Strong Graphene Quantum Dot–Viologen Nanocomposites, Adv. Mater., 2014, 26, 5129-5136
[15] Madasamy, K., Shanmugam, V. M., Velayutham, D., & Kathiresan, M. (2018). Reversible 2D Supramolecular Organic Frameworks encompassing Viologen Cation Radicals and CB[8]. Scientific Reports
[16] Kao, S.-Y., Lu, H.-C., Kung, C.-W., Chen, H.-W., Chang, T.-H., & Ho, K.-C. (2016). Thermally Cured Dual Functional Viologen-Based All-in-
One Electrochromic Devices with Panchromatic Modulation. ACS
[17] Chen, P.-Y., Chen, C.-S., & Yeh, T.-H. (2014). Organic multiviologen
electrochromic cells for a color electronic display application. Journal of Applied Polymer Science, 131(13)
[18] Jain, V., Yochum, H., Wang, H., Montazami, R., Hurtado, M. A. V., Mendoza-Galván, A., … Heflin, J. R. (2008). Solid-State Electrochromic
Devices via Ionic Self-Assembled Multilayers (ISAM) of a Polyviologen. Macromolecular Chemistry and Physics, 209(2), 150–157.
[19] Mishra, S., Yogi, P., Saxena, S. K., Roy, S., Sagdeo, P. R., & Kumar, R. (2017). Fast electrochromic display: tetrathiafulvalene–graphene nanoflake as facilitating materials. Journal of Materials Chemistry C,
5(36), 9504–9512.
[20] Wang, C., Batsanov, A. S., & Bryce, M. R. (2004). Electrochromic
tetrathiafulvalene derivatives functionalised with 2,5-diaryl-1,3,4- oxadiazole chromophoresElectronic Supplementary Information (ESI) available: spectroelectrochemistry of 3 and 4; 1H-NMR spectra and cyclic voltammograms for 3, 4 and 5; crystallographic information for 5.
See http://www.rsc.org/suppdata/cc/b3/b316243p/. Chemical Communications, (5), 578
[21] Somani, Prakash R.; Radhakrishnan, S. (26 September 2001). "Electrochromic materials and devices: present and future" (PDF). Materials Chemistry and Physics. Elsevier. 77: 117–133 [22] Ikeda, T., & Higuchi, M. (2011). Electrochromic Properties of
Polythiophene Polyrotaxane Film. Langmuir, 27(7), 4184–4189.
[23] Alkan, S., Cutler, C. A., & Reynolds, J. R. (2003). High-Quality
Electrochromic Polythiophenes via BF3·Et2O Electropolymerization. Advanced Functional Materials, 13(4), 331–336
[24] Kim, E., & Jung, S. (2005). Layer-by-Layer Assembled Electrochromic
Films for All-Solid-State Electrochromic Devices. Chemistry of Materials, 17(25), 6381–6387
[25] Nguyen, Q. V., Martin, P., Frath, D., Della Rocca, M. L., Lafolet, F., Bellinck, S., … Lacroix, J.-C. (2018). Highly Efficient Long-Range Electron Transport in a Viologen-Based Molecular Junction. Journal of
the American Chemical Society, 140(32), 10131–
10134. doi:10.1021/jacs.8b05589
[26] Mogera, U., Sagade, A. A., George, S. J., & Kulkarni, G. U. (2014). Ultrafast response humidity sensor using supramolecular
nanofibre and its application in monitoring breath humidity and flow. Scientific Reports, 4(1).
[27] Shi, Z., Neoh, K. ., & Kang, E. . (2005). Antibacterial activity of
polymeric substrate with surface grafted viologen moieties.
Biomaterials, 26(5), 501–508.
[28] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "viologens".
[29]. Junjie Ding et al. Viologen-inspired functional materials: synthetic strategies and applications, J. Mater. Chem. A (2019), 7, 23337-23360
[30]. Jong-Woo Kim and Jae-Min Myoung, Flexible and Transparent
Electrochromic Displays with Simultaneously Implementable
Subpixelated Ion Gel-Based Viologens by Multiple Patterning Adv.
Funct. Mater. (2019) 1808911
[31]. Gaurav K. Pande et al. Effects of counter ions on electrochromic behaviors of asymmetrically substituted viologens, Solar Energy
[32]. Anjali Chaudhary et al. Electron Donor Ferrocenyl Phenothiazine: Counter Ion for Improving All-Organic Electrochromism, ACS Appl.
Electron. Mater. (2020) 2, 9, 2994–3000
[33] K. W. Shah et al., Viologen-Based Electrochromic Materials: From Small Molecules, Polymers and Composites to Their Applications, Polymers (2019), 11(11), 1839
[34] Logan G. Kiefer · Christian J. Robert · Taylor D. Sparks Lifetime of
electrochromic optical transition cycling of ethyl viologen
diperchlorate‑based electrochromic devices
[35] Shi, Z., Neoh, K. ., & Kang, E. . (2005). Antibacterial activity of
polymeric substrate with surface grafted viologen moieties.
Biomaterials, 26(5), 501–508.
[36] Janoschka, T., Martin, N., Martin, U., Friebe, C., Morgenstern, S., Hiller, H., … Schubert, U. S. (2015). An aqueous, polymer-based redox-flow
battery using non-corrosive, safe and low-cost materials. Nature,
527(7576), 78–81.
[37] Buyukcakir, O., Je, S. H., Choi, D. S., Talapaneni, S. N., Seo, Y., Jung, Y., … Coskun, A. (2016). Porous cationic polymers: the impact of
counteranions and charges on CO2 capture and conversion. Chemical Communications, 52(5), 934–937
[38] Chen, Z., Li, W., Li, R., Zhang, Y., Xu, G., & Cheng, H.
(2013). Fabrication of Highly Transparent and Conductive Indium–Tin
Oxide Thin Films with a High Figure of Merit via Solution Processing.
Langmuir, 29(45), 13836–13842.
[39] Kim, H., Gilmore, C. M., Piqué, A., Horwitz, J. S., Mattoussi, H.,
properties of indium–tin–oxide thin films for organic light-emitting devices. Journal of Applied Physics, 86(11), 6451–6461.
[40] Straue, N., Rauscher, M., Dressler, M., & Roosen, A. (2011). Tape
Casting of ITO Green Tapes for Flexible Electroluminescent Lamps.
Journal of the American Ceramic Society, 95(2), 684–689. [41] Du, J., Chen, X., Liu, C., Ni, J., Hou, G., Zhao, Y., & Zhang, X.
(2014). Highly transparent and conductive indium tin oxide thin films for
solar cells grown by reactive thermal evaporation at low temperature.
Applied Physics A, 117(2), 815–822.
[42] Ghini, M., Curreli, N., Camellini, A., Wang, M., Asaithambi, A., & Kriegel, I. (2021). Photodoping of metal oxide nanocrystals for multi-
charge accumulation and light-driven energy storage. Nanoscale.
[43] Junjie Ding, Caini Zheng, Luxin Wang, Chenbao Lu, Bin Zhang, Yu Chen, Mingqiang Li, Guangqun Zhai and Xiaodong Zhuang, Viologen- inspired functional materials: synthetic strategies and applications.
Journal of Materials Chemistry A, 2019, 41 (7), 23337-23360;
[44] Noémie Elgrishi, Kelley J. Rountree, Brian D. McCarthy, Eric S. Rountree, Thomas T. Eisenhart, and Jillian L. Dempsey, A Practical Beginner’s Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of chemical education,
2018, 95, 197-206;
[45] Junjie Ding, Caini Zheng, Luxin Wang, Chenbao Lu, Bin Zhang, Yu Chen, Mingqiang Li, Guangqun Zhai and Xiaodong Zhuang, Viologen- inspired functional materials: synthetic strategies and applications.
Journal of Materials Chemistry A, 2019, 41 (7), 23337-23360;
[46] Noémie Elgrishi, Kelley J. Rountree, Brian D. McCarthy, Eric S. Rountree, Thomas T. Eisenhart, and Jillian L. Dempsey, A Practical
Beginner’s Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of chemical education,
2018, 95, 197-206;
[47] J.M. Seveant, E. Vianello (1965). "Potential-sweep chronoamperometry:
Kinetic currents for first-order chemical reaction parallel to electron- transfer process (catalytic currents)". Electrochimica Acta. 10 (9): 905–
920.
[48] Guy, O. J., & Walker, K.-A. D. (2016). Graphene Functionalization