近日，上理工材料與化學(xué)學(xué)院電致變色材料課題組在電致變色智能窗領(lǐng)域取得最新進(jìn)展，相關(guān)研究以“基于陰陽離子共嵌入的多波段調(diào)控電致變色智能窗”(Electrochromic smart windows with co-intercalation of cations and anions for multi band regulations)為題發(fā)表在《自然?通訊》(Nature Communications)上，碩士研究生孫佳偉為第一作者，王金敏教授、馬董云副教授與南方科技大學(xué)溫瑞濤研究員為共同通訊作者，上海理工大學(xué)為第一單位。
為了滿足居住的舒適度，居民對于室內(nèi)照明、制冷/供暖和通風(fēng)的需求日益增長，導(dǎo)致建筑能耗占到能耗總量的大約40%。窗戶作為能源利用效率最低的部件之一，其節(jié)能化改造是建筑節(jié)能中的研究熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，電致變色智能窗能夠在幾伏的小電壓下變色，從而可以動態(tài)調(diào)控太陽光和熱的傳輸，是一項(xiàng)關(guān)鍵的節(jié)能減排技術(shù)，對我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的雙碳戰(zhàn)略意義重大。此外，電致變色智能窗應(yīng)用于汽車天窗、高鐵窗戶和飛機(jī)舷窗，不僅可以實(shí)現(xiàn)交通工具內(nèi)部的調(diào)光，還可以節(jié)能、隔熱，已成為交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
通常，電致變色智能窗是通過離子在材料中的嵌入/脫出，伴隨著電子的轉(zhuǎn)移，來實(shí)現(xiàn)著色態(tài)和褪色態(tài)的切換。然而，現(xiàn)有的研究長期局限于“搖椅式”的陽離子（如H?、Li?、Zn2+）的嵌入/脫出機(jī)制，而忽視了陰離子的作用，導(dǎo)致相關(guān)機(jī)理不清晰。為此，研究人員首次證明了陰離子（F-、Cl-、Br-、SO42-）可以在普魯士藍(lán)薄膜中嵌入與脫出，并設(shè)計(jì)了基于普魯士藍(lán)和鈮鎢雙金屬氧化物（Nb18W16O93）的電致變色器件，其中變色源于K+的嵌入與脫出。
該研究首次揭示了Cl-嵌入主導(dǎo)的普魯士藍(lán)到普魯士綠/普魯士黃的變色機(jī)制，解決了電極電荷失衡難題。所設(shè)計(jì)的電致變色器件通過K+和Cl-的陰陽雙離子共嵌入策略實(shí)現(xiàn)了多波段動態(tài)調(diào)控，器件同時具備全透、亮藍(lán)、深藍(lán)與綠色四種狀態(tài)的可逆切換，并實(shí)現(xiàn)了6000次的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，為下一代高性能電致變色智能窗的開發(fā)開辟了新路徑。
研究原理圖
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論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61854-3
