[科普中国]-电致变色材料

电致变色材料是指材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料。电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨，以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。而有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。

电致变色现象电致变色是指在电场作用下，材料发生可逆的变色现象。电致变色实质是一种电化学氧化还原反应，反应后材料在外观上表现出颜色的可逆变化。例如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等及其衍生物，在可见光区都有较强的吸收带。同时，在掺杂和非掺杂状态下颜色要发生较大变化，其中中性态是稳定态。导电聚合物既可以氧化(p型)、掺杂，也可以还原(n型)掺杂。在作为电致变色材料使用时，两种掺杂方法都可以使用，但以氧化掺杂比较常见。掺杂过程可以由施加电极电势来完成。其中材料的颜色取决于导电聚合物中价带和导带之间的能量差，以及在掺杂前后能量差的变化。

电致变色材料是指在外电场及电流的作用下，可发生色彩变化的材料即为电致变色材料。其本质是材料的化学结构在电场作用下发生改变，进而引起材料吸收光谱的变化。根据颜色变化的过程分类，可分为颜色单向变化的不可逆变色材料，以及更具应用价值的颜色可以双向改变的可逆变色的材料。1

无机电致变色材料无机电致变色材料主要指某些过渡金属的氧化物、配合物、水合物以及杂多酸等。常见的过渡金属氧化物电致变色材料中属于阴极变色的主要是Ⅵ族金属氧化物，有氧化钨、氧化钼等；属于阳极变色的主要是Ⅷ族金属氧化物，如铂、铱、锇、钯、钌、镍、铑等元素的氧化物或者水合氧化物，其中钨和钒氧化物的使用比较普遍。氧化铱的响应速度快，稳定性好，但是价格昂贵。无机电致变色材料的离子电导和电子电导对于电致变色也起重要作用。这类材料的稳定性好，与常规无机非金属材料的结合性能优异，是制备电致变色玻璃的主要材料之一。2

有机小分子电致变色材料根据电化学理论，某些小分子在电极电势作用下发生氧化还原反应，如果反应后其吸收光谱和摩尔吸收系数发生较大变化，则这种物质就可以作为电致变色材料。可以发生电致变色的有机物质非常广泛，从研究成果和实用角度考虑，有机小分子电致变色材料主要包括有机阳离子盐类和带有有机配位体的金属配合物。

紫罗精类衍生物属于阴极变色材料，当对其施加负电压时，可令其发生还原反应改变其氧化态而显色。其中全氧化态为稳定态，多数呈现淡黄色；单氧化态为变色态，其最大吸收波长在可见光区，吸收特定波长的可见光后呈现强烈的补色；得到两个电子的全还原态摩尔吸收系数不大，颜色不明显。其显示的颜色与连接的取代基种类有一定关系，主要是取代基的电子效应在起作用。当取代基为烷基时，单还原产物呈现蓝紫色，芳香取代基衍生物通常呈现绿色。颜色的深浅取决于材料的摩尔吸收系数值，摩尔吸收系数的大小与分子结构分子的结构类型有关。单氧化态的紫罗精自由基阳离子的摩尔吸收系数非常高，在较低浓度下就可以产生强烈的颜色变化。紫罗精具有非常好的氧化还原可逆性，在反复氧化还原过程中能够保持结构的稳定性。大部分的紫罗精单阳离子自由基通过自旋成对而形成反磁性的二聚体。二聚体与单体的吸收光谱也不同。如甲基紫罗精阳离子自由基的单体在水溶液中是蓝色的，而二聚体是红色的。2

电致变色材料的应用具有实用价值的电致变色高分子材料必须具备颜色变化的可逆性、颜色变化的方便性和灵敏性、颜色深度的可控性、颜色记忆性、驱动电压低、多色性和环境适应性强等特点。研究开发的电致变色高分子材料已经基本具备上述性质，电致变色材料的特点和优势促使各种电致变色器件的研制和开发迅速发展，电致变色器件基本上是由电子源和离子源、透明导电层、电致变色层、电解质层、电极层等构成。

电致变色材料可以用于研制开发信息显示器件、电致变色智能调光窗、无眩反光镜和电色信息存储器等，此外，在一些近年来的技术产品中，如变色镜、高分辨率光电摄像器材、光电化学能转换和储存器、电子束金属版印刷技术等也获得了应用。1

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学