“这款变色器件可被用于设计汽车天窗。它能增强车窗的隔热性能，为车内带来更加舒适宜人的环境。特别是在高端汽车制造中，这一技术有望得到广泛应用。”北京大学助理研究员张超红表示。
图 |张超红博士（来源：张超红）
据了解，这款变色器件兼具“电致”和“热致”的能力，本质上是一款智能变色窗。其具备优异的器件切换速度，着色时间大约需要 0.82 秒，褪色时间大约需要 0.60 秒，并具备稳定的电致变色性能和热致变色性能，也能在多种模式之下实现可靠运行。
【资料图】
为了研发这款器件，张超红和所在团队合成了可以固定在电极端的电致变色小分子，借此成功解决传统小分子电致变色材料因扩散而导致电极速度缓慢的问题，从而实现更加迅速的着色过程和褪色过程。
此外，本次开发的热致变色离子凝胶电解质，可以有效克服此前热致变色电解质带来的电化学窗口狭窄的挑战，从而确保电致 & 热致变色器件的稳定变色性能。
（来源：Advanced Materials）
除能用于汽车天窗之外，该变色器件还能用于绿色建筑。当前，随着城市化的加速以及环保意识的增强，建筑物的能源效率和可持续性变得尤为重要。
而本次变色器件也能成为绿色建筑和城市建设的关键组成部分。其有望减少建筑物的能耗，优化城市能源使用，提高室内温度的舒适度，同时还有助于城市环境的美化。
日前，相关论文以《一种适用于智能窗户的超快速、高能效电致变色-热变色器件》（An Ultrafast, Energy-Efficient Electrochromic and Thermochromic Device for Smart Windows）为题发在 Advanced Materials[1]。
北京大学 2020 级硕士生邓斌是第一作者，北京大学孟鸿教授和张超红助理研究员担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
张超红表示，在全球追求可持续发展和“碳中和”的背景下，建筑能耗和能源效率问题备受关注。
近年来，可以自动调节光谱的热致变色智能窗引发了人们的广泛兴趣，其有助于降低建筑能耗、减少碳排放，同时提升室内舒适度和使用体验。
然而，以往的热致变色智能窗设备通常只能显示单一颜色。为此，该团队将电致变色和热致变色功能有机地融合在同一装置中，巧妙利用电致变色材料的多彩可变性，弥补了以往热致变色智能窗颜色单一的缺陷。
这种设计在实现节能的同时，也能保持环境的美观，并能提供隐私保护的功能。
期间，他们先是针对之前紫晶器件变色速度较慢的问题，力图实现紫晶器件的快速变色。
在紫晶器件的结构设计上，其采用不对称的设计策略，其中一侧应用锚定基团磷酸，而另一侧采用位阻较小的基团。随后，他们将所设计的材料加以合成，然后进行验证，结果表明其变色性能初步符合要求。
接着，课题组对电致变色器件进行优化，并对各功能层进行调试。通过探索和优化TiO2的界面层、以及电极层的普鲁士蓝薄膜，他们获得了相对合适的器件参数配置，借此实现可以快速变色和稳定工作的电致变色器件。
进一步地，该团队开始着重于热致变色电解质的设计。这时，他们尝试使用此前开发的液体电解质，但却未能获得稳定工作的器件。
其中，气泡的产生暗示着析氢反应的发生，说明这种热致变色电解质无法满足器件的要求。为解决这一问题，他们引入离子液体作为解决方案，其与温敏响应聚合物和电解质相容，且具有较宽的电化学窗口和阻燃性。
后来，通过调控引发剂比例、光固化时间、单体浓度、电解质浓度、水和离子液体等参数，课题组终于成功获得理想的凝胶电解质。最后，则要进行电致 & 热致变色器件的组合与优化。
具体来说，他们将原先的溶液电解质替换为热致变色凝胶电解质，这时发现双功能器件不够稳定，而且凝胶电解质中的离子液体会让电极层中的普鲁士蓝脱落。
为此，课题组通过引入界面修饰层来保护普鲁士蓝，同时不会干扰凝胶电解质在普鲁士蓝之间的离子传输。
通过界面修饰的优化，高性能的电致 & 热致变色器件终于面世。事实上，课题组最初的设想是合成一个可聚合的紫晶材料。
然而，在一系列实验之后，他们意识到此次所合成的材料，无法进行自由基均聚和共聚。简言之，该团队并没有像预期那样得到一个紫晶聚合物，因为当时所合成材料的烯丙基结构较为稳定，难以进行自由基聚合。
张超红表示：“尽管这个尝试的失败让我们感到沮丧，但我们将小分子进行电致变色性能的测试，却发现其具有意想不到的电致变色性能。”而在制备纳米 TiO2涂层，课题组也遇到不少困难。
通过阅读一篇文献，他们学到一种新的合成方法。张超红说：“我们毫不犹豫地联系了那篇论文的通讯作者，对其请求指导。令我们惊喜的是，他们非常愿意分享经验，并详细指导我们如何制备透明的 TiO2涂层。”
这种来自外部的帮助，也让他们感受到科研界共同合作、以及分享知识的温暖和力量。而在研究热致变色电解质时，该团队遇到了一个来自于不可抗力的挑战。
深圳夏天的高温比较高，环境室温高于凝胶电解质的相变温度，这会导致电解质变白，从而妨碍电致变色器件的准确表征。购买变温设备和改造的过程也是非常漫长，足足有几个月。
但是，研究工作根本不宜停滞。“为了应对这个问题，我们绞尽脑汁：使用冰块、冷风扇和小冰箱等冷却手段，确保器件中的电解质保持稳定的透明状态。”
张超红说。至此，本次研究终于宣布结束。不过，他们希望可以继续提升本次器件的应用范围。下一步，其将集中于设计和开发具有双波段调控功能的智能窗，以满足更广泛的应用需求。
其一，课题组打算设计双波段调控的智能窗：目前市面上的热致变色智能窗，在变色过程之中会影响可见区的透过率。因此，他们计划设计一种新型智能窗，预计其将拥有双波段调控功能，可以独立控制可见光和红外光的透过率。这样的窗户能在保持室内舒适度的同时，还能优化能源使用效率，并能满足不同环境和季节的需要。
其二，课题组打算进行新材料的开发和优化：要想实现双波段调控的智能窗，就需要新颖的材料体系，能够分别响应可见光和红外光的调控信号。因此，其将致力于开发新的电致变色材料，以满足双波段调控的要求。这可能需要对材料的分子结构、电子结构等进行深入优化，以实现更精确的光学调控效果。
其三，课题组计划开展器件结构和工艺优化。在新型智能窗的设计中，还需要关注器件的结构和制备工艺。
未来，他们将进一步优化电致变色器件和凝胶电解质的结构，以实现更高效的双波段调控效果。
参考资料：
1.Deng, B., Zhu, Y., Wang, X., Zhu, J., Liu, M., Liu, M., ... & Meng, H. (2023). Ultra‐Fast, Energy‐Efficient Electrochromic and Thermochromic Device for Smart Windows.Advanced Materials, 2302685.
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