Elektrochrome Materialien: Rasanter Farbwechsel

Farbwechsel in einer COF-Struktur (Bild: V. Hiendl, e-conversion)

Nachts auf der Autobahn. Regen. Die grellen Scheinwerfer des Hintermannes blenden. Wie gut, wenn man in so einem Fall einen automatisch abblendenden Rückspiegel besitzt. Dieses hilfreiche Extra basiert auf elektrochromen Materialien. Wird eine Spannung angelegt, verändern sich deren Lichtabsorption und Farbe. Auf diese Weise kann der Rückspiegel über einen Lichtsensor gesteuert stark blendendes Licht herausfiltern.

Vor kurzem entdeckten Fachleute, dass neben den etablierten anorganischen elektrochromen Materialien auch eine neue Generation hochgeordneter Gitterstrukturen diese Fähigkeit besitzt: COFs, Covalent Organic Frameworks. COFs bestehen aus synthetisch hergestellten organischen Bausteinen, die in geeigneter Kombination kristalline und nanoporöse Netzwerke bilden. Auch hier kann eine elektrische Spannung den Farbwechsel bewirken, und zwar durch Oxidation oder Reduktion des Materials.

Das Team des e-conversion Wissenschaftlers Prof. Thomas Bein (Physikalische Chemie, LMU München) hat jetzt COF-Strukturen entwickelt, deren Geschwindigkeit und Effizienz beim Farbwechsel um ein Vielfaches höher liegen als bei den anorganischen Verbindungen. COFs stehen bei Fachleuten hoch im Kurs, denn ihre Materialeigenschaften lassen sich über Modifikationen ihrer Bausteine in weiten Bereichen einstellen. Das nutzten auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der LMU München und der University of Cambridge, um die für ihre Zwecke idealen COFs zu konstruieren. Derya Bessinger, Erstautor und Doktorand am Lehrstuhl Bein beschreibt das Vorgehen: „Wir haben uns das modulare Aufbauprinzip der COFs zu Nutze gemacht und mit einem speziellen Thienoisoindigo-Molekül den idealen Baustein für unsere Zwecke konstruiert. Eingebaut in einen COF zeigt unser neues Molekül, wie stark es dessen Eigenschaften verbessern kann. Mit dem neuen Material absorbieren wir zum Beispiel nicht nur einen kurzwelligen UV-Bereich oder kleinen Teil des sichtbaren Lichts, sondern erreichen Photoaktivität bis in den Nahinfrarot-Bereich.“

Die neuen COF-Strukturen reagieren gleichzeitig deutlich sensibler auf die elektrochemische Oxidation. Das führt dazu, dass schon eine niedrige angelegte Spannung für einen Farbwechsel der COFs ausreicht, der zudem komplett reversibel ist. Und das alles geschieht mit rasender Geschwindigkeit: Die Ansprechzeiten für einen vollständigen und deutlichen Farbwechsel durch Oxidation liegen bei rund 0,4 Sekunden, für die Reduktionsreaktion bei sogar nur etwa 0,2 Sekunden. Damit zählen die elektrochromen organischen Gerüststrukturen des e-conversion Teams zu den schnellsten und effizientesten weltweit. Für die Geschwindigkeit sind vor allem zwei Dinge verantwortlich: Die leitfähige Gerüststruktur der COFs ermöglicht einen schnellen Elektronentransport im Gitter. Und dank einer optimierten Porengröße kann sich die umgebende Elektrolyt-Lösung rasch bis in den letzten Winkel verteilen. Dies ist zwingend notwendig, denn die erzeugte positive Ladung des oxidierten COF-Gitters muss überall schnell durch negativ geladene Elektrolyt-Ionen ausgeglichen werden. Nicht zuletzt besitzt das Produkt der Münchner Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine sehr hohe Stabilität. Langzeittests ergaben, dass das Material auch nach 200 Oxidations-Reduktions-Zyklen seine Leistung beibehalten konnte.

Die Publikation bringt mit ihren grundlegenden Erkenntnissen die Entwicklung einer neuen Klasse von besonders leistungsfähigen elektrochromen Beschichtungen voran. Und dass der Markt dafür vorhanden ist, zeigt beispielsweise der Einsatz von „intelligentem Glas“, einem steuerbaren Sonnen- oder Sichtschutz für komplette Gebäudefronten.

Publikation:

Fast-Switching Vis-IR Electrochromic Covalent Organic Frameworks. Derya Bessinger, Katharina Muggli, Michael Beetz, Florian Auras, and Thomas Bein. J. Am. Chem. Soc. 2021. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12392

Kontakt:

Prof. Thomas Bein
Department Chemie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Butenandtstr. 11, Haus E
81377 München
Email:

Dr. Florian Auras
Optoelectronics Group
University of Cambridge
Cavendish Laboratory
J J Thomson Avenue
Cambridge CB3 0HE
England
Email: