Recubrimientos electrocrómicos de óxido de Niquel: caracterización óptica, estructural y electroquímica

Abstract

En este trabajo se reporta el comportamiento electrocrómico de las películas delgadas de óxido de níquel producidos por magnetron-dc "sputtering" seguida de intercalación iónica. Las películas no estequiométricas de óxido de níquel (NiOx) fueron preparadas por "sputtering” de Ni, en una atmósfera de O2 a la velocidad de < 0.15 nms. Se hizo tratamiento electroquímico subsecuente en KOH estableciéndose el electrocromismo por transformación del NiOx en NiOxHy. Las películas de NiOx fueron caracterizados por microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectrometría de difracción de rayos-x (XDS), espectrometría de fotones de rayos-x (XPS) y espectrometría de reflexión infrarroja (IRS). Las películas de NiOx fueron microcristalinas con un tamaño de grano ~10 nm, y la estructura cristalina fue cúbica (bunsenita). Los recubrimientos presentaron una textura de fibra en la dirección (001). Los análisis de TEM y XPS indicaron que el NiOx probablemente está conformado de dos fases: una matriz de NiO en el cual se encuentra dispersa una segunda fase la cual posee un exceso de oxígeno. El análisis de IRS mostró que NiOx posee un pequeño contenido de hidrógeno. NiOx se transforma en la fase electrocrómica NiOxHy mediante la inserción protónica. La "capacidad" electrocrómica del NiOx disminuye significativamente con el tratamiento térmico. Muestras sometidas a 400 º C por un periodo de 10 h no se transformaron en película electrocrómica NiOxHy. La película de NiOxH se estudió electroquímicamente en la configuración de tres electrodos donde la muestra fue el electrodo de trabajo. Este análisis estuvo acompañado con medidas "in-si tu" de las propiedades mecánicas y ópticas. Además, se hicieron medidas de impedancia, espectrometría visible e infrarroja, IRS y XPS. Las medidas "in-situ" indicaron que el hidrógeno se incorpora en la película de óxido de níquel, hasta una concentración aproximada del 5% durante la reacción catódica. La reacción electrocrómica corresponde a una transformación reversible de la fase transparente "rica" en H hacia la fase oscura "pobre" en H. El análisis de impedancia indicó que el estado transparente posee una menor conductividad electrónica y una mayor conductividad iónica que el estado coloreado. Los experimentos realizados a bajo pH (-1 1) indicaron que el mecanismo de la reacción para la coloración podría ser transferencia de masa del OH- hacia la interfaz película-electrolito. Las medidas espectrofotométricas en el rango de 0.35 - 2.5 um mostró que los recubrimientos de NiOx requirieron > 100 ciclos galvanostáticos (ciclos de coloreo-decoloreo) a fin de establecer un estado de máxima transparencia. La transmitancia solar y luminosa pueden ser variadas entre 80% y 20% y entre 74% y 29% respectivamente. El electrocromismo es producido mediante una modulación de la absorción. El análisis por IRS mostró que las vibraciones "libres'' del OH están asociados al estado transparente y aquellas vibraciones OH con enlaces tipo hidrógeno se asocian al estado oscuro del material. El análisis XPS para los electrones Ols indicaron que existe un solo estado de enlace para el material transparente y dos estados de enlace para el material coloreado.