东华大学王宏志、李克睿《自然·通讯》：新型电致变色窗口实现近零透光与超高稳定性，助力建筑节能

随着全球变暖与碳中和目标的推进，调控建筑内光热传输以降低能耗成为关键挑战。建筑窗户是可见光与近红外辐射的主要通道，目前照明、供暖和空调系统消耗了建筑近20%的能源。电致变色窗户能动态调节太阳辐射，兼具视觉舒适与热管理功能，被视为实现节能建筑的重要技术。然而，现有电致变色材料在近红外吸收、长期稳定性及多模式调制方面仍存在局限，限制了其大规模应用。

近日，东华大学王宏志教授、李克睿特聘研究员提出了一种基于异芳香三吡啶分子（H-TriPy）的新型电致变色系统，通过π-堆叠工程显著增强了近红外吸收，并实现了可见光与近红外双波段调制。研究团队引入氟化离子液体抑制高浓度下H-TriPy的不可逆堆叠，使器件在可见与近红外区域达到平均透射率低于1.6%的近零透光状态，并在10万次循环后仍保持89.1%的性能稳定性。大面积器件也表现出均匀着色与可靠耐久性，展现出在绿色建筑中应用的巨大潜力。相关论文以“Heteroaromatic π-stacking engineered near-infrared absorption for highly stable near-zero transmittance electrochromic window”为题，发表在

Nature Communications

研究团队设计并合成了以1,3,5-三嗪为核心、带有丁基侧链的异芳香三吡啶分子H-TriPy。与传统的丁基紫精相比，H-TriPy通过扩展π共轭体系，显著红移吸收峰至622纳米，并在近红外区域展现出强烈吸收。图1展示了H-TriPy分子结构与器件在不同调制模式下的透射光谱，说明其可实现“明亮”“凉爽”与“暗色”三种状态，分别对应不同的视觉与热管理需求。

图1 | 异芳香π-堆叠工程化的近红外吸收用于具有近零透射率的双波段电致变色窗口。 a. H-TriPy分子设计原理，通过异芳香π-堆叠增强近红外吸收。 b. 基于典型丁基紫精（左）与H-TriPy（右）的全合一电致变色器件在不同调制模式下的紫外-可见-近红外透射光谱。灰色、蓝色和红色线分别对应明亮、凉爽和暗色状态，阴影区域表示太阳辐照光谱中的紫外、可见和近红外范围。

进一步的电化学测试揭示了H-TriPy的多步电子转移特性。图2中循环伏安曲线显示出三个可逆的还原峰，分别对应H-TriPy³⁺/²⁺、H-TriPy²⁺/⁺和H-TriPy⁺/⁰的转化过程。随着电压从0V降至-1.4V，器件透射率在可见光与近红外区域均显著下降，尤其在854纳米处光学对比度高达90.7%。理论计算与光谱分析表明，还原过程中形成的π堆叠二聚体通过“薄饼键”结构增强了近红外吸收，而结合能计算与小角X射线散射结果进一步验证了堆叠态在暗色模式下的稳定性。

图2 | 通过π-堆叠工程化的H-TriPy强近红外吸收。 a. H-TriPy基电致变色器件在扫描速率为5 mV s⁻¹时的循环伏安曲线。 b. 不同电压下H-TriPy基器件的紫外-可见-近红外透射光谱，以空气为基线。插图分别为普通与近红外相机拍摄的照片。 c. 非堆叠H-TriPy³⁺/³⁺、π堆叠H-TriPy²⁺•与π堆叠H-TriPy⁺••的TD-DFT计算吸收光谱。 d. H-TriPy基器件在明亮、凉爽与暗色模式下的吸收光谱。 e. 非堆叠H-TriPy³⁺/³⁺、π堆叠H-TriPy²⁺•与π堆叠H-TriPy⁺••的结合能计算值。 f. H-TriPy/NMP在明亮与暗色模式下的小角X射线散射谱。插图为对应的二维散射图样。

尽管π堆叠有利于拓宽吸收，高浓度下易导致不可逆聚集，影响器件长期性能。为此，团队引入氟化离子液体，利用其强电负性与空间位阻作用削弱堆叠二聚体之间的相互作用。图3显示，使用F-IL的器件在10万次循环后透射率调制仍保持89.1%，而未使用F-IL的器件在3万次后性能已下降至39.3%。该动态π堆叠策略有效促进了着色态与褪色态之间的可逆转换，提升了器件的使用寿命。

图3 | H-TriPy基电致变色设备通过动态π-堆叠展示增强的循环稳定性。 a, b. 使用IL或F-IL的H-TriPy基器件循环稳定性机制示意图。 c. 使用IL（蓝）与F-IL（红）的H-TriPy基器件在固定切换电压下的长期循环测试。 d. F-IL/H-TriPy基器件循环前后的循环伏安曲线。 e. π堆叠H-TriPy⁺••与F-IL/H-TriPy⁺••的结合能比较。 f. F-IL/H-TriPy基大面积器件长期循环测试。 g. F-IL/H-TriPy基器件在环境老化与高温老化后的透射光谱。

为实现实际应用，团队制备了25×40 cm²的大面积电致变色窗口，并测试其光学均匀性与响应速度。图4展示了该窗口在三种模式下的可见光与近红外调控效果。在模拟太阳光照射下，暗色模式可使背面黑体温度降至27.6°C，远低于明亮模式下的50.4°C。建筑能耗模拟进一步表明，在上海等城市中，该电致变色窗口比商用低辐射玻璃每年每平方米平均节能45.7兆焦，显示出显著的节能优势。

图4 | 具有优越节能性能的双波段H-TriPy基电致变色窗口。 a. 大面积EC窗口在三种模式下的可见光与近红外调控示意图及近红外相机拍摄图像。 b. 由透射光谱转换得到的太阳辐照度谱。 c. 明亮、凉爽与暗色模式下EC窗口在氙灯照射下的实时热成像图。 d. 自制舱体模型在三种模式下室内温度随时间变化。 e. 多城市建筑能耗模拟中低辐射玻璃与EC窗口的能耗对比。 f. 上海地区季度能耗模拟中低辐射玻璃与EC窗口的能耗对比。

综上所述，本研究通过分子设计与电解质优化，成功开发出具有近零透光、高稳定性与多模式调制的电致变色窗口。其优异的双波段调控能力与可扩展性，为建筑节能与碳中和目标提供了创新解决方案，未来有望广泛应用于智能绿色建筑中。