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与大多数其他电致变色材料通过电子转移反应改变颜色的机理不同，氟染料的变色反应通常基于内酯环的开闭反应，因此这类材料可以通过两种方式激活，第一种是路易斯酸碱的氧化还原反应（带阳极的电子转移），另一种是Brønsted-Lowry酸碱的氧化还原反应（质子转移质子供体）。目前所有报道的基于氟染料的ECD的文献都采用了第一种电致变色反应方法。
2018年，Gyeong Woo Kim等人报道了一种基于氟烷染料的高性能电致变色光阀（图3 .38） [25] 。氟烷染料的电致变色反应是由氢醌衍生物生成的质子激活的，它根据其氧化还原状态来传输电荷或吸收可见光。这种电致变色光快门可与OST-HMD一起用在AR显示系统当中，这将提高显示图像在强环境光条件下的可见性。
适合用作光快门的材料通常有以下两个主要特点：① 电致变色染料及其相关组分材料在漂白状态下必须是高透明的；② 在着色状态下必须是全可见波长范围内的大吸光度。氟烷衍生物通常是透明的，因为通过sp 3 杂化轨道连接蒽和内酯单元的螺旋结构的中心碳破坏了共轭长度，导致了较大的带隙。另外，当氟衍生物被氧化，内酯环被打开时，中心碳的sp 3 杂化轨道转变为sp 2 杂化轨道，共轭长度变长，从而减小了带隙，吸收波长向红色区域移动。因此，氟衍生物通常用作热致变色染料和电致变色材料。
参考本章开头所述，活性氟染料有两种方法，一种是将在ECD电极上通过氧化还原反应生成质子的结构应用于氟基ECD系统，而另一种方法则可能引起氟染料的电致变色反应。实验发现，氢醌氧化产生两个质子，并通过电极上失去两个电子而转化为苯醌，氢醌很可能起到生成质子的作用。而内酯开环反应是由DMHQ在阳极氧化生成的质子激活的，即DMHQ通过电子转移将内酯开环反应转变为通过质子转移的内酯开环反应（图3.39）。
图3.38 氟燃料的内脂环开闭反应（a）；1×10 4 mol·L 1 TBTF吸收光谱的变化（b）；在2-已氧基已醇中溶解1×10 -6 mol·L -1 DATFMF溶液的吸收光谱随添加乙酸量的变化（e）；电压从0.0到1.7V过程中ECD的光学透过率随外加电压的变化（d）；亮度（L * ）和ECD的相对亮度百分比（Y）随外加电压的变化（c）；在不同电压作用下CED的实际照片（F）
图3.39 内酯开环反应机理
他们用这种材料制作了一个OST-HMD并测试了它的性能。使用电致变色光快门的OST-HMD在环境对比度和色域方面有显著改善。由于环境光的独立可见度，所提出的AR显示系统将通过扩大AR显示器的使用范围来最大限度地提高可用性。
实际上在2010年，为了实现高扫描速率和高显示质量，Wu Weng等人用上述含氟染料和具有垂直孔的介孔二氧化钛电极制备并报道了一种高速、高分辨率的电致变色被动矩阵显示器（图3.40） [26] 。这种电极的垂直孔可以支持垂直于电极的含氟染料的有效扩散，并且可以防止染料在电极周围扩散。这种设计提供了一个更透明的背景显示，对将来电致变色材料在电子纸上的应用有着非常大的潜力。
图3.40 在具有垂直孔的介孔TiO 2 电极上使用无色染料成像的机理
在对荧光染料电致变色性能的研究中，对苯醌（BQ）电还原自由基离子也被引入并对其性能进行了测试。2013年，Yu-Mo Zhang等人做了这项工作并发表论文，其结果是在1500个周期的扩展开关测试中，这些设备显示出良好的可切换性和可逆性，而没有明显的退化现象 [27] 。在先前的研究中，作者发现硝基分子的自由基阴离子可以从亚甲基酮基捕获酸性质子并引发分子烯醇化。因此，他们推测所有的自由基阴离子都可以作为“电酸碱”来交换合适的pH敏感分子。
分子的设计如图3.42所示，分子的颜色变化只能由外加电场驱动。由于荧光素易降解，因此可在反ITO电极表面沉积一层致密的NiO膜以避免不必要的氧化并提高器件的响应时间和可逆性。这种材料的着色机理如图3.41所示。
图3.41 以电还原对苯醌为原位基的荧光素的切换机理（a）；在-1.5 V下，固体薄膜的反射模式和发射模式（ex：365nm）的照片（b）；在 PMMA 薄膜中，使用活化 NiO 电极，通过1.5 V（5 s）和1.0 V（25 s）的交替开关循环，吸收（515nm）和发射（535nm）随循环而变化（c）
随着电荧光变色器件的发展，如果能研制出理想的RGB可调谐EFC器件，对加快实际光电应用具有重要意义。一种策略是分离氧化还原部分和荧光团，利用质子转移来控制发射，以引发自由基阴离子/阳离子的光致发光淬灭，这是由 Xiaojun Wang等人 [28] 报道的。如图3.42所示，他们合成了一种pH敏感发光材料。基于相同的电极机制，新制备了具有“开启”模式的RGB可调谐EFC器件（红色、绿色和蓝色）。这种“开启”可调谐EFC器件具有高的色纯度、较快的循环速度、高的荧光对比度和优异的耐久性。
他们还提出了一个可逆键耦合电子转移（BCET）的仿生系统，同时研究了具有氧化还原活性亚基的可切换Rh-N分子。利用可调色罗丹明与具有氧化还原活性的苯二胺巧妙连接，合成了Rh-N分子。根据实验结果和计算，提出了以下电子转移机理（图3.43） [29] 。
图3.42 p-BQ作为电碱基引起的荧光开关机制（a）；B、G、R分子和p-BQ的循环伏安图（b）；B、G、R分子的荧光光谱（c）；B、G、R分子在紫外光下的图像（d）
在这个BCET系统中，一个有机阳离子在其C—N键断裂后立即从氧化部分带走正电荷。这一过程与PCET和MCET在电子转移的同时转移质子和金属离子具有相似的特性。这些相似性促使他们强烈推荐一个统一的概念，即阳离子耦合电子转移（CCET），以简化那些关于相似耦合的现有概念（如PCET、MCET和BCET）。众所周知，在多用途的生物过程中，有效地实现多步复杂反应只需要非常低的活化能，同时涉及离子（如质子、金属离子、电子、小有机离子等）转移、键裂解/形成、结构改变等，并且在酶催化作用下，离子的引入或消除也会大大改变分子或分子聚集体活性侧的电子密度。
图3.43 通过键耦合电子转移的Rh-N键切换过程