[发明专利]电致变色聚合物及其合成和用途

说明书

本公开总体上涉及具有优异性质的黑色至透射型电致变色聚合物，所述优异性质例如在整个可见光谱范围内的吸光度以及在施加电压下从黑色至透射的明显颜色变化。本公开还涉及合成或使用其的方法。此外，本公开还涉及包括黑色至透射型电致变色聚合物的黑色至透射型电致变色聚合物薄膜、以及包括黑色至透射型电致变色聚合物或薄膜的电致变色装置。

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2017年7月14日提交的标题为“电致变色聚合物薄膜的合成方法”的美国临时申请第62/532693号的优先权。以上参考申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般地涉及电致变色聚合物薄膜，更具体地，涉及具有高光学对比度和快速转换的黑色至透射型电致变色聚合物薄膜及其使用和制造方法。

背景技术

电致变色指通过施加电压引起的电子转移反应的可逆光谱变化。近年来，电致变色(EC)材料在学术领域和实践领域都发挥着越来越重要的作用，因为它在掺杂状态和未掺杂状态之间实现了透射/吸收光谱和可调谐颜色的可逆和高度稳定的变化，因此具有可用于智能窗户镜、太阳镜、数字标牌和显示器以及电子纸的巨大潜力。

在各种候选EC材料中，无机材料例如(过渡)金属氧化物及其络合物由于极化子吸收广和光化学性质高而成为最广泛使用的变色材料，但始终受到响应时间慢和着色效率低的限制。极化子是一种准粒子，用于解释固体材料中电子与原子之间的相互作用。光化学是指由光吸收引起的化学反应。或者，共轭聚合物因其颜色可调、光学对比度高、易加工和长期稳定性而被公认为是各种电致变色装置(ECD)的理想材料。目前，许多研究致力于从中性态到掺杂态的各种饱和有色至透射型聚合物ECD。尤其是，黑色至透射型电致变色聚合物(ECP)逐渐成为热点，因为其已被证明是用于私密玻璃和智能窗户的有前途的材料。然而，由于在中性态下整个可见光谱吸收的复杂性和不完全性、以及随后在完全氧化状态下脱色，仍然存在挑战。

迄今为止，人们已经为设计和获得理想的黑色的全光谱付出了巨大的努力，各种材料和策略正在出现。如上所述，尽管对金属氧化物及其络合物例如多孔NiO、基于Co的聚合物、CuO₂、IrO₂进行了广泛研究，并且其可以用作黑色至透射型电致变色材料，但与有机聚合物材料相比它们的EC性能较差(着色效率低和变色慢)。

有机黑色至透射型EC材料包含(1)吸收整个可见光谱的单个共聚物、和(2)基于“混色”理论的互补组合物，以实现完整的光谱和黑色至透射型EC显示器。当两种或多于两种不同的单体在一起聚合时，它们的产物称为共聚物，其过程称为共聚。用第二种方法，通过混合多色化合物或构建互补多层膜，报道了各种黑色至透射型ECD。因此，阴极着色层EC材料可以潜在地补充阳极着色电极，以在可见光谱内形成全色吸收光谱。然而，通过这种方法获得的颜色显示出相对较低的光学对比度、复杂的过程或伪彩色现象。而且，性能和操作限制严重限制了在狭窄范围内的应用。

其他人发起了设计和合成具有蓝色、绿色或黑色的中性态颜色的共轭ECP的工作，这些材料的带隙必须小于1.75eV。为了构建低带隙系统，通过交替提供电子和接受电子(即富电子和缺电子)单元的“供体-受体”(D-A)策略已被证明是一种有效的解决方案，并被广泛用于合成单个共聚物。然而，带隙不是确定颜色状态的唯一因素。颜色状态是具有不同光学跃迁的波长和强度的综合结果。更重要的是，在D-A共聚物结构中存在具有不同宽度的多个吸收光谱。Reynolds小组提出并开发了第一种中性态黑色至透射型电致变色聚合物(P.M.Beaujuge,S.Ellinger,J.R.Reynolds,the donor-acceptor approach allows ablack-to-transmissive switching polymeric electrochrome,Nat.Mater.2008,7,795-799)。随后，他们进行了进一步的改进，并研究了几种共聚物，这些共聚物具有较低的制造和加工成本以及良好的性能，表现出快速转换响应、高光学对比度。尽管如此，仍需要进一步的改进，使在整个可见光谱范围内获得更均匀且更宽的吸光度，以满足应用的需求。