Viologen based electroactive polymers and composites for durable electrochromic systems

Electrochromism, the phenomenon of reversible color change induced by a small electric charge, forms the basis for operation of several devices including mirrors, displays and smart windows. Although, the history of electrochromism dates back to the 19th century, only the last quarter of the 20th century has its considerable scientific and technological impact. The commercial applications of electrochromics (ECs) are rather limited, besides top selling EC anti-glare mirrors by Gentex Corporation and airplane windows by Boeing, which made a huge commercial success and exposed the potential of EC materials for future glass industry. It is evident from their patents that viologens (salts of 4,4ʹ-bipyridilium) were the major active EC component for most of these marketed devices, signifying the motivation of this thesis focusing on EC viologens. Among the family of electrochromes, viologens have been utilized in electrochromic devices (ECDs) for a while, due to its intensely colored radical cation formation induced by applying a small cathodic potential. Viologens can be synthesized as oligomer or in the polymeric form or as functionality to conjugated polymers. In this thesis, polyviologens (PVs) were synthesized starting from cyanopyridinium (CNP) based monomer precursors. Reductive coupling of cross-connected cyano groups yields viologen and polyviologen under successive electropolymerization using for example the cyclic voltammetry (CV) technique. For further development, a polyviologen-graphene composite system was fabricated, focusing at the stability of the PV electrochrome without sacrificing its excellent EC properties. High electrical conductivity, high surface area offered by graphene sheets together with its non-covalent interactions and synergism with PV significantly improved the electrochrome durability in the composite matrix. The work thereby continued in developing a CNP functionalized thiophene derivative and its copolymer for possible utilization of viologen in the copolymer blend. Furthermore, the viologen functionalized thiophene derivative was synthesized and electropolymerized in order to explore enhancement in the EC contrast and overall EC performance. The findings suggest that such electroactive viologen/polyviologen systems and their nanostructured composite films as well as viologen functionalized conjugated polymers, can be potentially applied as an active EC material in future ECDs aiming at durable device performances.

Elektrokromismi on ilmiö, jossa pienellä sähköisellä varauksella saadaan aikaan palautuva värinmuutos. Monien laitteiden, kuten peilien, näyttöjen tai älykkäiden ikkunoiden, toiminta perustuu tähän ilmiöön. Historiallisesti elektrokromismi on tunnettu 19. vuosisadalta asti, mutta vasta 20. vuosisadan viimeinen neljännes on osoittanut ilmiön huomattavan tieteellisen ja teknologisen merkityksen. Näiden elektrokromismiin perustuvien tekniikoiden kaupallinen hyödyntäminen on vielä melko vähäistä. Tähän asti myydyimpiä tuotteita ovat olleet häikäisysuojatut peilit (Gentex Corporation) ja lentokoneen ikkunat (Boeing), jotka olivat valtavia kaupallisia menestyksiä osoittaen tekniikan mahdollisuudet tulevaisuuden lasiteollisuudessa. Patenteista selviää, että viologeenit (4,4ʹ-bipyridiniumin suolat) ovat yleisimpiä aktiivisia komponentteja useimmissa markkinoilla olevissa sovelluksissa, minkä perusteella tässä väitöskirjassa keskitytään viologeeneihin. Erilaisista sähköväriaineista viologeenejä on käytetty elektrokromisissa laitteissa jo jonkin aikaa johtuen niiden voimakkaan värisestä radikaalikationista, joka saadaan syntymään pienellä katodisella jännitteellä.Viologeenejä voidaan syntetisoida oligomeerinä tai polymeerinä, sekä toiminnallisena ryhmänä osana konjugoitua polymeeriä. Tässä väitöskirjassa polyviologeenit syntetisoitiin käyttämällä lähtöaineena syanopyridinium-pohjaista monomeeriä. Ristiinkytkettyjen syanoryhmien pelkistävä kytkeytyminen tuottaa viologeeniä ja polyviologeeniä peräkkäisissä sähköpolymerisaatioreaktioissa, mikä voidaan toteuttaa käyttämällä menetelmänä esimerkiksi syklistä voltammetriaa. Systeemiä kehitettiin edelleen siten, että polyviologeenistä ja rafeenista valmistettiin komposiitti, jossa parannettiin polyviologeenin stabiilisuutta, menettämättä sen erinomaisia elektrokromisia ominaisuuksia. Grafeenilevyjen hyvä sähköinen johtavuus ja suuri pinta-ala yhdistettynä ei-kovalenttisiin vuorovaikutuksiin ja synergiaetuihin PV:n kanssa paransi huomattavasti komposiittimatriisin elektrokromista kestävyyttä. Työtä jatkettiin kehittämällä CNP:llä funktionalisoitu tiofeenijohdos ja vastaava polymeeri, mikä mahdollisti viologeenin hyödyntämisen kopolymeeriseoksessa. Lisäksi syntetisoitiin ja sähköpolymeroitiin viologeenillä funktionalisoitu tiofeenijohdos, jonka avulla tutkittiin elektrokromisen kontrastin ja kokonaissuorituskyvyn parantumista. Havainnot osoittavat, että sähköisesti aktiivisia viologeeni/polyviologeenisysteemejä ja niistä valmistettuja nanorakenteisia komposiittikalvoja, sekä myös viologeenillä funktionalisoituja konjugoituja polymeerejä on mahdollista hyödyntää aktiivisena elektrokromisena materiaalina tulevissa suorituskyvyltään kestävissä elektrokromisissa laitteissa.