Tinta eletrocrômica preta com um método direto usando suspensão de nanopartículas de óxido de cobre

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7774 (2023) Citar este artigo

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Os materiais eletrocrômicos (EC) para janelas inteligentes devem exibir uma cor escura e bloquear a luz visível (comprimento de onda = 380–780 nm) para reduzir o impacto ambiental. Em particular, tons de preto também são desejados, e há muitos relatos de tentativas de criar esses tons escuros usando materiais orgânicos, como polímeros. No entanto, seus métodos de fabricação são complicados, caros e podem até usar substâncias perigosas; além disso, muitas vezes não são suficientemente duráveis, como quando expostos à luz ultravioleta. Existem alguns casos relatados de materiais pretos usando o sistema CuO como material inorgânico, mas o método de síntese era complicado e a funcionalidade não era estável. Encontramos um método para sintetizar nanopartículas de CuO simplesmente aquecendo carbonato de cobre básico e ajustando o pH com ácido cítrico para obter facilmente uma suspensão. A formação e funcionalidade de filmes finos de CuO também foram demonstradas usando a suspensão desenvolvida. Esta pesquisa permitirá a criação de janelas inteligentes EC usando materiais e métodos inorgânicos existentes, como tecnologia de impressão, e é o primeiro passo para o desenvolvimento de materiais inorgânicos escuros funcionais, econômicos e ecológicos.

Os materiais eletrocrômicos (EC) apresentam propriedades ópticas reversíveis por meio de reações eletroquímicas redox, possibilitando o controle da transmitância e absorção nas regiões do infravermelho próximo (NIR) e do visível1,2. Devido a esta capacidade única, os materiais EC podem ser explorados para desenvolver dispositivos eletrocrômicos (ECDs), que são amplamente utilizados para displays3, sensores4, dispositivos de armazenamento de energia5 e janelas inteligentes6,7. Os materiais EC são principalmente classificados como inorgânicos ou orgânicos. Materiais inorgânicos incluem óxidos de metais de transição (por exemplo, óxido de tungstênio8, óxido de níquel9) e complexos inorgânicos (por exemplo, estrutura orgânica10). Os materiais orgânicos consistem em moléculas orgânicas π-conjugadas (por exemplo, viologen11), polímeros condutores (por exemplo, poliimida12, politiofeno13), etc. Os materiais EC inorgânicos oferecem várias vantagens sobre os orgânicos, incluindo alta estabilidade química e eficiência, bem como um efeito de memória após a remoção da tensão externa, que são fatores significativos que regem as aplicações de ECD1.

Entre os materiais EC existentes em ECDs, aqueles que alternam entre os estados transparentes e tingidos de azul já foram comercializados14, mas agora são necessários tons de cinza ou preto para atender à demanda recente por estados mais escuros, tanto por motivos de design quanto para reduzir o impacto ambiental. Se esses sistemas de materiais puderem ser realizados, eles poderão ser usados ​​como material de janela em veículos da próxima geração, como veículos elétricos e veículos com célula de combustível, que devem se tornar mais populares no futuro. Quando aplicados em janelas, esses materiais podem diminuir os gastos com energia elétrica e aumentar a autonomia desses veículos, reduzindo a carga do ar-condicionado.

Até o momento, vários estudos demonstraram materiais CE pretos. No entanto, muitos desses materiais relatados permanecem no estágio de pesquisa básica porque são orgânicos15,16,17,18, requerem uma variedade de materiais para síntese, são complexos e demorados para processar e, em alguns casos, têm um grande impacto ambiental . Portanto, são necessários sistemas de materiais EC que possam expressar o preto de maneira mais simples.

Nosso grupo vem desenvolvendo tintas à base de dispersões aquosas de óxido de tungstênio (WO3) e nanopartículas de PB (NPs) para aplicação em processos úmidos de preparação de filmes finos EC8,10. Entre os processos úmidos, impressão19 e revestimento20,21 oferecem a vantagem de permitir a fabricação de filmes finos EC em substratos de grande escala em um curto espaço de tempo e com baixo custo. Além disso, essas técnicas são vantajosas para a preparação de filmes finos em substratos de vidro e substratos flexíveis.

Neste estudo, desenvolvemos um método simples para preparar suspensões dispersas de CuO NPs usando carbonato básico de cobre(II) como material de partida e ácido cítrico para ajustar o pH da água. Embora os métodos para produzir partículas nanométricas de CuO tenham sido extensivamente investigados22,23,24,25, tem havido muito pouca pesquisa sobre a preparação de suspensões de CuO NP estáveis ​​e dispersas, que são revestimentos de fase líquida essenciais para a produção de filmes finos26,27. Aplicações biomédicas de CuO NPs, por exemplo, como materiais sensores, sensores de glicose, sensores de H2O2, sensores de dopamina e cicatrização de feridas são bem relatadas28. As suspensões coloidais contendo NPs de óxidos apresentam grande potencial de aplicação em escala industrial, pois são de fácil aplicação em processos produtivos contínuos, como impressão e revestimento de filmes nanoestruturados29. Várias tentativas foram feitas para preparar suspensões coloidais de CuO usando soluções à base de nitrato e acetato26,30,31,32.