Photochromic and Electrochromic Hydrogels Based on Ammonium- and Sulfonate-Functionalized Thienoviologen Derivatives

电致变色 自愈水凝胶 磺酸盐 汞菁 噻吩 光致变色 材料科学 小提琴手 烷基 高分子化学 光化学 化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Meijuan Chang,Dingli Liang,Fan Zhou,Haodong Xue,Hao Zong,Weinan Chen,Gang Zhou
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (13): 15448-15460 被引量:83
标识
DOI:10.1021/acsami.1c24560
摘要

Ammonium cations and sulfonate anions have been introduced as end-caps for alkyl viologens with thiophene-derived bridges. When the as-prepared thienoviologen derivatives are dispersed in polyacrylamide (PAAm) hydrogels, photochromic (PC) and electrochromic (EC) bifunctional hydrogels can be simply realized. The incorporated thiophene or ethylenedioxylthiophene bridge not only expands the photoresponse range but also stabilizes the photoinduced radical intermediate. Therefore, reversible PC and EC behaviors can be achieved for hydrogels containing thienoviologens N,N'-di(3-(trimethylammonio)propyl)-4,4'-(thien-2,5-diyl)bispyridinium tetrabromide (ATV), N,N'-bis(3-sulfonatopropyl)-4,4'-(thien-2,5-diyl)bispyridinium (STV), N,N'-di(3-(trimethylammonio)propyl)-4,4'-(3,4-ethylenedioxylthien-2,5-diyl)bispyridinium tetrabromide (AETV), and N,N'-bis(3-sulfonatopropyl)-4,4'-(3,4-ethylenedioxylthien-2,5-diyl)bispyridinium (SETV). On the contrary, no photochromism can be observed for PAAm hydrogels based on N,N'-di(3-(trimethylammonio)propyl)-4,4'-bipyridinium tetrabromide (AV) and N,N'-bis(3-sulfonatopropyl)-4,4'-bipyridinium (SV) without thiophene bridges. Furthermore, no significant coloration difference can be observed between the hydrogels containing ammonium- and sulfonate-functionalized viologens. However, during repetitive cycles, the transmittance contrast losses of electrochromic devices (ECDs) based on the hydrogels containing ammonium-modified viologens are lower than those for sulfonate-substituted viologens probably due to their larger number of cation-anion pairs and thus higher solubility in aqueous media. Typically, no observable difference can be found for unsealed ECDs after 15 days in ambient conditions. Additionally, a large-area ECD with a diameter of 10 cm has been facilely fabricated by simply sandwiching the EC hydrogels, and the transparency can be finely tuned upon applying different potentials. Overall, our findings may provide a new path to design multifunctional hydrogels with PC and EC responses.
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