Electrodos descompensados en carga. Un nuevo concepto en la mejora de dispositivos eletrocrómicos

Resumen

Resumen de la tesis: El electrocromismo es un fenómeno mostrado por algunos materiales que tienen la propiedad de cambiar su color cuando sufren una reacción electroquímica de oxidación o de reducción (extracción o inyección de electrones en la matriz del material). Los dispositivos electrocrómicos son aplicaciones basadas en este tipo de materiales. Su estructura general es la de una celda electroquímica, cuyos dos electrodos (electrodo de trabajo y contraelectrodo) son materiales electrocrómicos, habitualmente en forma de película delgada. La configuración compensada es la configuración más común en este tipo de dispositivos. En esta configuración los dos materiales electrocrómicos usados tienen la misma densidad de carga redox. De esta manera las dos películas pueden completar simultáneamente su reacción redox y así mostrar su respuesta óptica máxima. La configuración compensada ha sido adoptada durante muchos años para diferentes aplicaciones electrocrómicas debido a su estabilidad electroquímica y la larga vida útil del dispositivo; sin embargo, algunos trabajos han mostrado que tiene algunas limitaciones desde el punto de vista óptico, en cuanto al contraste máximo alcanzable. Asimismo, desde el punto de vista electroquímico, el voltaje requerido para el funcionamiento del dispositivo depende de los materiales utilizados. Para un correcto funcionamiento, es necesario oxidar o reducir completamente los dos materiales, lo que en algunos casos implica un aumento considerable en el potencial requerido. Se ha demostrado recientemente que la diferencia entre las densidades de carga redox de cada material constituyente del dispositivo electrocrómico tiene un efecto directo sobre su actuación electrocrómica. El hecho de usar una carga redox en el contraelectrodo mucho mayor que la de electrodo de trabajo permite alcanzar contrastes ópticos altos con un consumo mínimo de energía. Estos sistemas basados en materiales con diferentes cargas redox se llaman sistemas descompensados. Hasta hoy no existen aplicaciones electrocrómicas reales con configuraciones descompensadas y solo se han realizado pruebas de concepto para demostrar su viabilidad. El objetivo de esta tesis es el de aportar un alternativa a la configuración compensada en la construcción de dispositivos electrocrómicos. Basándonos en los últimos trabajos hechos en este campo hemos investigado diferentes configuraciones electrocrómicas en configuración descompensada. Estas configuraciones han sido caracterizadas electroquímicamente y ópticamente para determinar los posibles beneficios que se pueden obtener de estos sistemas. Se han explorado diferentes opciones en cuanto a los materiales utilizados. El trabajo se ha dividido en tres bloques principales. En el primer bloque se desarrolla un estudio general para explorar los posibles beneficios y desventajas que puede aportar un sistema descompensado en carga a la actuación de un dispositivo electrocrómico. Se emplean en este caso el polímero conductor ECP-Black como el material electrocrómico activo y un derivado del PProDOP, el PProDOP-C18 , conocido también como MCCP, como contraelectrodo con un mínimo cambio de color. Las celdas ECP-Black/MCCP se construyen en este caso fijando la densidad de carga del ECP-Black y cambiando la densidad de carga redox del MCCP de forma que se obtienen ratios mayores o menores a 1. Se presenta un estudio comparativo entre las diferentes configuraciones y la configuración compensada común usada para este tipo de materiales (ratio 1). En el segundo bloque se presentan aplicaciones de sistemas electrocrómicos realizados en configuraciones descompensadas. En la primera parte se presenta la configuración descompensada Polímero conductor/óxido. Los materiales empleados para realizar esta configuración son el polímero conductor Poli-PRODOT-Me2 como material electrocrómico principal y el óxido de tungsteno (WO3) como material contraelectrodo. La importante diferencia en eficiencia de coloración entre estos dos materiales y la alta transparencia que puede mostrar el WO3 hacen que estos materiales sean excelentes candidatos para una configuración electrocrómica descompensada. Las diferentes celdas electrocrómicas PPRODOT-Me2/WO3 son caracterizadas electroquímicamente y ópticamente para determinar su funcionamiento. En una segunda parte presentamos un nuevo diseño de configuración descompensada usando como contraelectrodo un material capacitivo en vez de uno electroactivo; en este caso se uso carbón activo con una alta superficie específica. El tercer bloque es una presentación de una herramienta que nos permite simular cualquier combinación electrocrómica y sacar una estimación del mejor contraste que se puede obtener de los dos materiales utilizados. La herramienta es un desarrollo teórico basado en las ecuaciones básicas de la absorción óptica de un material electrocrómico. Se presentan simulaciones de diferentes combinaciones comparando los resultados con datos experimentales. En la presente tesis, por tanto, se ha conseguido demostrar la viabilidad de una nueva configuración para dispositivos electrocrómicos, capaz de conseguir respuestas ópticas optimizadas con el mínimo consumo de energía. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/