A view of tendences and perspectives in electrochromism: searching for new materials and more simple designs

REVISÃO UMA VISÃO DAS TENDÊNCIAS E PERSPECTIVAS EM ELETROCROMISMO: A BUSCA DE NOVOS MATERIAIS E DESENHOS MAIS SIMPLES Silvio C. de Oliveira e Roberto M. Torresi Instituto de Química de São Carlos - Universidade de São Paulo - CP 780 - 13560-970 - São Carlos - SP Susana I. Córdoba de Torresi* Departamento de Química Fundamental - Instituto de Química - Universidade de São Paulo - CP 26077 - 05599-970 - São Paulo - SP Recebido em 9/11/98; aceito em 11/5/99 A VIEW OF TENDENCES AND PERSPECTIVES IN ELECTROCHROMISM: SEARCHING FOR NEW MATERIALS AND MORE SIMPLE DESIGNS. Some aspects of electrochromism phenomena are presented in this review paper. A deep literature revision about the subject dealing with materials and device configurations developed in the last years, is presented. Great efforts of the scientific community have been done in this field. On the other hand, new electrochomic devices based on reversible deposition of metals are specially emphasized here. These devices present many advantages such as simple operation and construction and they have also shown high cycling rates. These factors make them suitable for application in display industry. In this way, many concepts used in the developement of electrodeposition baths are very useful for the improvement of these new devices; specially, all knowledge about the use of additives for modifying films microstructure and morfology. Keywords: electrochromism; cromogenic materials; reversible electrodeposition devices. Introdução Considerações Gerais Materiais Cromógenos, a Base do Eletrocromismo Breve Histórico Materiais Eletrocrômicos Materiais de Inserção de Íons Materiais Eletrocrômicos Anódicos Materiais Eletrocrômicos Catódicos Materiais Eletrodepositados Reversivelmente Alguns Conceitos sobre Eletrodeposição e sua Relação com as Propriedades Eletrocrômicas Aplicações Tecnológicas Algumas Conclusões Finais INTRODUÇÃO Considerações Gerais O interesse por pesquisas relacionadas ao aproveitamento da energia solar tem se intensificado nos últimos anos. Hoje é notório o desenvolvimento de tecnologias para a utilização desta energia, assim como a maximização da eficiência em seus processos de aproveitamento. Há também a possibilidade de, utilizando esta energia, aliviar os impactos ambientais como o aquecimento global através do efeito estufa e o aumento da * E-Mail: QUÍMICA NOVA, 23(1) (2000) incidência de radiação ultravioleta (U.V.) através dos buracos na camada de ozônio. No entanto, esta renovada preocupação se deve também, ao grande interesse por outros mercados especializados tais como o automobilístico, aeroespacial, militar, de diversão, entre outros, os quais parecem muito promissores a curto prazo, podendo haver grande movimentação financeira. Uma ampla classe de materiais opticamente ativos vem despertando enorme interesse, especialmente aqueles com absorção, transmissão ou reflexão controláveis, devido às suas potenciais aplicações. Estes materiais são chamados materiais cromógenos e são conhecidos pela sua capacidade de mudar suas propriedades ópticas, em resposta a uma mudança nas condições do meio1. O eletrocromismo, efeito cromógeno, é uma propriedade característica que alguns materiais ou sistemas apresentam de mudar de cor (absorção e/ou reflexão espectral) reversivelmente, em resposta a um potencial externo aplicado. Recentemente, têm-se desenvolvido dispositivos eletrocrômicos bastante promissores baseados na deposição - dissolução reversível de metais. Estes dispositivos também chamados de janelas e visores inteligentes contém o material eletrocrômico no eletrólito e um filme fino de metal é formado sobre um substrato transparente por passagem de corrente elétrica. O interesse por dispositivos eletrocrômicos reside no fato de apresentarem um grande número de vantagens bastante específicas tais como: alto contraste óptico com contínua variação de transmitância e independência em relação ao ângulo de visão, memória óptica, estabilidade aos raios ultra - violeta, além de ampla operação nas mais variadas faixas de temperatura. Estas características favoráveis podem, finalmente, superar as já conhecidas deficiências de janelas ou visores de cristais líquidos, colocando os dispositivos eletrocrômicos em uma posição destacada na produção de painéis de grande ângulo visual. Independentemente do desenvolvimento tecnológico alcançado nesta área, a procura de novos materiais e as tentativas de melhorar o desempenho dos dispositivos existentes, mostram a importância de continuar com o estudo das reações eletroquímicas que envolvem mudança de cor. Estes efeitos 79 são caracterizados através de experimentos de caráter físico, e devem ser focalizados através dos diversos fenômenos que às abrange, tais como: eficiência de coloração, cinética da reação e relação entre ambos os processos. O presente artigo de revisão descreve, em primeiro lugar, os diferentes tipos de efeitos cromógenos existentes; seguidamente, será apresentado um breve histórico do desenvolvimento do efeito eletrocrômico. A continuação o leitor encontrará uma classificação extensa dos diferentes tipos de materiais eletrocrômicos divididos de acordo com a natureza físico química do efeito cromógeno. Por último, serão apresentadas as aplicações tecnológicas mais recentes do efeito eletrocrômico. MATERIAIS CROMÓGENOS, A BASE DO ELETROCROMISMO Muitos materiais cromógenos, podem mudar sua coloração quando expostos a luz visível ou ultravioleta (U.V.), como por exemplo, vidros dopados com cádmio (Cd) ou prata (Ag) ou ainda, polímeros dopados com corantes orgânicos ou corantes orgânicos incorporados a matrizes porosas inorgânicas, além de certos óxidos de metais polivalentes cuja coloração depende do estado de oxidação dos seus cátions 2. Esta propriedade fotocrômica é atualmente utilizada em produtos comerciais tais como lentes e espelhos. Alguns materiais, tais como o VO 2, são conhecidos por apresentarem um efeito análogo quando aquecidos a uma determinada temperatura e são conhecidos como materiais termocrômicos. Outros, chamados materiais barocrômicos, mudam sua coloração quando expostos a uma alteração na pressão ambiente e como exemplo tem-se o sulfeto de samário, SmS3 (o íon samário, Sm 3+, entra, em pequenas proporções, na composição dos vidros ópticos). Outros dispositivos, mediante a aplicação de um campo elétrico, alteram a orientação de suas moléculas mudando a absorção óptica ou o espalhamento das camadas. Estes dispositivos, são habitualmente chamados de cristais líquidos ou materiais de polímeros dispersos incorporados a um líquido3. Tecnologicamente contudo, o efeito cromógeno mais promissor é chamado eletrocromismo e é definido como uma mudança de cor, persistente mas reversível, que ocorre em certos materiais quando estes são submetidos a uma mudança eletroquímica. Uma ampla extensão de materiais tem a propriedade de alterar sua cor quando uma voltagem é aplicada, ou alternativamente, uma corrente é passada através deles. E (...truncated)