真“一窗多用”：广西大学团队提出多色双波段电致变色概念，能选择性地控制太阳辐射和可见光透射率

想象一下，假如给你的卧室安装这样一扇智能窗户：在冬日里使用“亮态”模式，在保证照明的同时，可以利用太阳辐射能量为大楼辅助供暖；

而在炎热的夏季，调节为“冷态”的窗户可以阻挡炎热的辐射，同时还能提供照明，从而实现建筑能耗的有效控制。

当你需要阻挡全部阳光时，也无需拉上窗帘，只需将模式调整为“暗态”即可。在执行这些功能时，智能窗消耗的能量极小，非常有利于节能减排和碳中和。

（来源：Materials Horizons）

这扇智能窗是广西大学物理科学与工程技术学院教授课题组的新成果。更准确来说，这种智能窗是一种聚苯胺薄膜，它在多色变化的同时具有良好的双波段电致变色性能，包括良好的近红外光和可见光光调制、高的着色效率以及优异的循环稳定性。

图 | 曹盛（来源：）

为了验证聚苯胺对太阳光和辐射热量的调节，他们将聚苯胺薄膜与锌框电极配对，以形成多色双波段电致变色智能窗器件，并在演示原型水平上对其进行测试。

该原型可以独立地控制近红外光和可见光透射率，且在调节过程中有着多种颜色变化（淡黄色-绿色-深蓝色），这说明多色双波段电致变色智能窗具备概念上的可行性。

确定聚苯胺具有作为双波段电致变色材料的性能之后，课题组制备了对应的双波段电致变色智能窗器件，并利用模拟太阳光源和红外热成像设备对器件进行测试。

在相同时间的模拟太阳光照射下，分别拍摄“亮态”（可见和近红外波段都有较高透过率）、“冷态”（近红外波段被阻挡而可见波段透过）、“暗态”（全波段不透过）三种模式下的红外热成像图片，并记录透过器件照射的吸热板的温度。

结果显示，在不同模式下的温度差异很大，这验证了利用聚苯胺制备的双波段电致变色器件，对太阳光和辐射热量具备选择性调节的能力，可以在满足室内居住者舒适度需求的同时，降低建筑能耗的效果。

（来源：Materials Horizons）

使用聚苯胺作位有机双波段电致变色材料

据介绍，作为近年来电致变色领域的新兴技术，双波段电致变色智能窗（Dual-band electrochromic smart windows，DESW）可以选择性地控制可见阳光和太阳能热量进入建筑物的透过率，最大限度的利用太阳光辐射，实现建筑物在加热、冷却和人工照明系统中的最佳能效，既能带来居住舒适度又能降低建筑能耗。

当前，双波段电致变色智能窗的研究集中在无机电致变色材料。通过对材料电化学反应过程中电容型等离子体电致变色和氧化还原反应型极化子电致变色进行分级控制，可以实现可见光和近红外光区域光谱的选择性调节。

特别需要指出的是，相比早期通过复合膜技术实现双波段电致变色相比，近年来发展起来的单组分材料技术，无疑可以降低双波段电致变色智能窗设计和制备的难度。

但是需要注意的是，由于无机材料相对固定的能带结构，现有报道的双波段电致变色智能窗，几乎都在透明无色和深蓝色两种状态间转换。

单一的色彩转换加上蓝色较为刺眼的视觉体验，无疑会限制双波段电致变色智能窗的应用场景。因此，发展具有多色转换能力的双波段电致变色智能窗逐渐成为人们关注的焦点。

聚苯胺（PANI，polyaniline）是一种典型的有机电致变色材料，有着易制备、成本低和多色变化等优势。

此前有报道指出，变色过程中聚苯胺的红外部分有着较强的透过率变化，而在课题组的研究中，他们让脉冲电化学沉积的聚苯胺，在有机锌离子电解液中实现了高稳定性多色电致变色，且在可见光波段有着较大的透过率调制范围。

基于此，该团队萌生了使用聚苯胺作有机双波段电致变色材料进行研究的想法。

首次提出多色双波段电致变色的概念

研究伊始，课题组对聚苯胺薄膜在有机锌离子电解液中的稳定性进行了相关研究，这给初期聚苯胺薄膜的制备带来了较大帮助。制备的聚苯胺薄膜均匀且稳定性好、重复性高，为后续研究打下了基础。

在研究双波段现象的过程中，通过调整薄膜制备方法及厚度等参数，结合相关文献、并通过重复实验对结果进行比较。在此过程中，他们确定了脉冲沉积法以及相应的参数设置，以便实现最好的电致变色性能和双波段选择性能。

发现了较为优异的双波段调节性能之后，该团队对这一现象进行了研究。结果发现与传统无机金属氧化物实现单组份双波段电致变色效果不同的是，聚苯胺薄膜在变色前后无明显相变和形貌变化，相对应的是氧化还原状态的改变。

在“亮态”时，聚苯胺在全波段表现出较高的光学透过率；在“冷态”时，近红外波段透过率伴随着施加电压的增大而下降；在电压增加至固定区间时，可见波段光透过率下降使薄膜进入“暗态”，且此时薄膜导电性下降，稳定性变差。

查阅相关资料后，该团队发现这一变色过程主要与聚苯胺自身的多种氧化还原状态都能同时存在有关，因而初步确立还原态-半氧化态-氧化态的氧化还原状态变化，是导致双波段电致变色现象出现的原因。

在对实验原理进行解释的过程中，他们参考了聚苯胺电致变色的大量文献。但由于是首次报道聚苯胺单组分材料实现双波段电致变色效果，所以对原理的解释是本项工作的难点。

由于聚苯胺此前并无双波段电致变色现象的报道，因此现有的原理解释并不能适用于这一新的现象。所以也只能遵循科学探究的传统步骤，提出猜想-实验验证。

在不断通过测试验证猜想的过程中，课题组对机理的理解越来越深刻。在推翻了几次原有猜想之后，通过原位拉曼测试等多种测试手段，提出了渐进电化学调控聚苯胺极化子强度和醌式结构，来获取双波段电致变色性能的理论解释。

确认了聚苯胺薄膜的优异性能后，他们使用锌箔作为对电极制备了器件。在一定的电压窗口内，器件能够稳定的实现三种状态的变化。同时在状态切换过程中，也伴随着明显的色彩变化。

淡黄色-绿色-深蓝色的转换。代表着模式的切换，这对聚苯胺智能窗未来的可视化应用提供了可能，证明有机单组份多色双波段电致变色智能窗可以实现更多的功能。而在单独调节太阳光和辐射能量上，聚苯胺器件也表现优秀。

具体来说，课题组模拟了太阳光透过器件照射在吸热板上的情景，在，“亮态”“冷态”“暗态”三种模式下照射相同时间后，吸热板上的温度分别为 43.2℃、31.8℃和 27.2℃。这种温度的明显差异证明了器件单独调节太阳光和热的可能，也有助于节约建筑能耗。

最终，通过上述几个阶段的努力，他们首次提出多色双波段电致变色这一概念，并通过聚苯胺这一材料实现了有机单组份多色双波段电致变色效果，也让概念的可行性也得以验证。

近日，相关论文以《坚固稳定的双波段电致变色智能窗，具有多色可调性》（）为题发在 Materials Horizons（IF 15.7）上，王清轲是第一作者，担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Materials Horizons）

目前，课题组针对聚苯胺的相关研究还在继续，他们相信这一有趣的材料能够实现更多更新颖的效果。例如，本工作中聚苯胺薄膜是使用电沉积的方法来制备，因此以柔性导电材料为基底，可以发展多色双波段电致变色薄膜。

此外，聚苯胺具有多种氧化还原状态共存的特性，这让它在单组份双波段电致变色领域，相较于无机金属氧化物有着更多优势。因此，能否利用单组份材料实现更多模式的双波段调节，也是课题组未来研究的重点。

参考资料：

1.Wang, Q., Cao, S., Meng, Q., Wang, K., Yang, T., Zhao, J., & Zou, B. (2023). Robust and stable dual-band electrochromic smart window with multicolor tunability.Materials Horizons.