Propriedades eletrocrômicas do óxido de tungstênio

Abstract

Dispositivos eletrocrômicos utilizando filmes finos de metais de transição são estudados desde a década de 60. Entretanto, com o surgimento e popularização da nanotecnologia nos anos 80, novas técnicas e procedimentos reacenderam o interesse no eletrocromismo do óxido de tungstênio. Apesar de terem perdido espaço para displays de cristal líquido anos atrás, novas pesquisas sobre displays eletrocrômicos estão sendo publicadas. É possível encontrar também muitos estudos referentes a janelas eletrocrômicas para redução de consumo energético em climatização. A fim de aprender mais sobre os materiais eletrocrômicos, este trabalho foi realizado com o objetivo de estudar o funcionamento desses dispositivos e desenvolver um protótipo capaz de demonstrar eletrocromismo. O procedimento experimental constituiu-se, inicialmente, na síntese de trióxido de tungstênio nanoparticulado pelo método de digestão assistida por micro-ondas. A amostra, obtida na forma de pó, foi caracterizada por análise de difração de raios X (DRX) e gap óptico por refletância difusa. O trióxido de tungstênio é então utilizado para realização de deposições de filme fino, pelo método sol-gel por spin coating, em substratos de PET/ITO e Vidro/FTO. Os filmes depositados foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Amostras de dispositivos eletrocrômicos foram feitas pela deposição do filme em substrato, seguida da deposição de um eletrólito compatível contendo íons de lítio, e fechando o conjunto com um contra eletrodo do mesmo substrato. Os dispositivos finalizados foram submetidos a voltametria cíclica para observar se haveria reprodução das propriedades eletrocrômicas. A partir dos resultados obtidos, foi possível concluir que o método de síntese é efetivo e rápido para produção do trióxido de tungstênio nanoparticulado, porém foi observado uma distribuição de tamanho de partículas muito grande. A deposição de filmes por spin coating provou ser uma técnica de fácil realização, mas houve dificuldade na obtenção de um filme uniforme e adequado. A inclusão de uma camada adicional de óxido de titânio no contra eletrodo facilitou a difusão de íons do eletrólito, resultando em uma melhora significativa dos resultados. Nas últimas amostras realizadas, com o ajuste dos parâmetros de deposição por spin coating, foi possível obter formação de cor reversível com a aplicação de potencial, demonstrando a propriedade eletrocrômica do trióxido de tungstênio.

Electrochromic devices using transition metal thin films have been studied since the 1960s. However, with the emergence and popularization of nanotechnology in the 1980s, new techniques and procedures have rekindled interest in tungsten oxide electrochromism. Despite losing space for liquid crystal displays years ago, new research on electrochromic displays is being published. It is also possible to find many studies regarding electrochromic windows for reducing energy consumption in air conditioning. In order to learn more about electrochromic materials, this work was carried out with the objective of studying the functioning of these devices and developing a prototype capable of demonstrating electrochromism. The experimental procedure initially consists in the synthesis of nanoparticulate tungsten trioxide by the microwave assisted digestion method. The sample, obtained in powder form, was characterized by X-ray diffraction analysis (XRD) and diffuse reflectance optical gap. Tungsten trioxide is then used for thin-film spin coating deposition on PET / ITO and Glass / FTO substrates. The deposited films were characterized by scanning electron microscopy (SEM). Samples of electrochromic devices were made by depositing the film on substrate, followed by deposition of a compatible electrolyte containing lithium ions, and closing the assembly with a counter electrode of the same substrate. The finished devices were submitted to cyclic voltammetry to observe if there would be reproduction of the electrochromic properties. From the results obtained, it was possible to conclude that the synthesis method is effective and fast for nanoparticulate tungsten trioxide production, but a very large particle size distribution was observed. Spin coating deposition proved to be an easy technique to perform, but it was difficult to obtain a uniform and suitable film. The inclusion of an additional layer of titanium oxide in the counter electrode facilitated the diffusion of electrolyte ions, resulting in a significant improvement in results. In the last samples performed, with the adjustment of the deposition parameters by spin coating, it was possible to obtain reversible color formation with the application of potential, demonstrating the electrochromic property of tungsten trioxide.