北京工业大学张倩倩教授：用于主动光热调制且兼容任意表面的高性能电致变色织物

用于主动光热调制且兼容任意表面的高性能电致变色织物

题目：Robust Electrochromic Fabrics Compatible With Arbitrary Surface for Active Optical and Thermal Modulations

作者：Yuhao Wang, Wanzhong Li, Hui Gong, Ang Li, Mingyu Ding, Jingbing Liu, Zilong Zheng, Hao Wang, Qianqian Zhang

DOI:10.1002/cnl2.70090

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70090

第一作者：王雨豪、李万忠、龚辉

通讯作者：刘晶冰、汪浩、张倩倩

单位：北京工业大学

研究背景

随着智能可穿戴电子设备的快速发展，织物和服装对兼容性、柔性、可调光热管理的需求日益增长。电致变色（EC）技术有望实现从可见光到红外（IR）区域的宽带光调制，柔性电致变色织物因具备多样的透射率、反射率或红外发射率，在军事伪装和热控制领域展现出巨大应用前景。

然而，柔性电致变色织物的核心组件之间缺乏兼容性，仍是制约其应用的关键挑战：传统多层结构电致变色织物因功能层间附着力差，弯曲或扭转时易发生结构分层，导致颜色效率和光调制性能大幅下降；同时，变形条件下的多界面接触不良，使得功能层间的兼容性随时间快速衰减。尽管已有研究通过一体化设计提升了柔性，但红外波段调制能力不足，限制了其在动态伪装领域的应用。因此，优化电致变色织物的结构设计并深入分析光调制机理，对提升其光热调制能力至关重要。

成果介绍

北京工业大学张倩倩教授团队开发了一种高度集成的一体化电致变色织物（AECF）。该织物将电致变色器件的所有核心组件（双波段电致变色聚苯胺（PANI）、Au集流体和凝胶电解质）全部集成到单块尼龙织物基质中，而非采用离散的堆叠层结构。

得益于高度集成的构型，AECF具有82.0μm的超薄厚度和优异的柔性，可裁剪成任意形状并良好贴合任意表面，有效解决了传统非拉伸电致变色织物的适用性问题。基于PANI电致变色层的光调制特性，AECF实现了金黃色与深绿色之间的可逆颜色切换，同时具备可见光和红外反射调制能力。结合其出色的贴合性和主动光热调制性能，团队将AECF进一步开发为环境自适应伪装原型系统，与模型车集成后可快速与动态环境背景实现颜色融合。该成果以“Robust Electrochromic Fabrics Compatible With Arbitrary Surface for Active Optical and Thermal Modulations” 为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1.采用一体化集成设计，将所有功能组件（PANI层、Au集流体、凝胶电解质）无缝整合到尼龙织物中，解决了传统多层结构的层间剥离问题。

2.超薄（82.0μm）且高柔性，可弯曲、扭转、裁剪，能紧密贴合圆柱、棱柱、圆锥等任意表面，适配可穿戴和伪装场景。

3.实现可见光-红外双波段光调制，金黃色与深绿色可逆切换，兼具优异的电压耐受稳定性（1小时连续工作后保持90.4%调制率）和循环稳定性（3000次循环后电流密度保留93.7%）。

4.宽温域适应性强，在-5℃至50℃范围内稳定工作，低温下仍保持89.5%的初始反射调制率，高温下光调制性能进一步提升。

5.成功应用于环境自适应伪装系统，可同时匹配可见光和红外波段的环境背景，实现动态伪装效果。

本文要点

要点一

一体化电致变色织物的集成与结构表征

图1：AECF的结构示意图、截面SEM图像、EDS元素分布及柔性展示图。

图1a（左）展示了AECF的结构设计：以尼龙织物为基底，Au作为集流体和反射层，对称PANI作为电致变色层和离子存储层，凝胶电解质填充于织物孔隙中；（右）为AECF在沙漠和丛林环境中的可穿戴动态伪装示意图。图1b的截面SEM图像证实了AECF的超薄结构（~82.0μm），EDS元素分布显示Zn、Cl等电解质成分均匀分布，各功能层紧密集成，避免了层间脱落。图1c通过实物照片展示了AECF的可卷曲、扭转和裁剪特性，验证了其高柔性。

该设计的核心优势在于“一体化”构型：PANI层通过电沉积覆盖在Au修饰的尼龙织物两侧，缩小了织物孔隙，为电解质提供封闭空间；凝胶电解质充分渗透后形成均匀平整的表面，确保了各组件的兼容性和离子传输效率。

要点二

电化学与电致变色性能研究

图2：AECF的电致变色性能测试图。

图2a的原位光谱反射率等高线图显示，在300-2500nm波长范围内，AECF的反射率随电压变化显著，证实其在可见光和红外波段均具备动态调控能力。图2b表明，AECF在±1.5V电压下具有优异的电压耐受稳定性，连续还原1小时后仍能保持90.4%的初始反射调制率。图2c的循环稳定性测试显示，经过3000次循环后，AECF的电流密度保留率达93.7%。图2d显示，室温储存20天后，高反射态（黃色）和低反射态（绿色）的反射光谱仅轻微衰减，长期稳定性良好。图2e测试了红外波段（2500nm）的切换速度，着色时间（tc）为3.0s，褪色时间（tb）为4.3s，响应迅速。图2f的性能对比表明，AECF在厚度、柔性、循环稳定性等关键指标上优于多数已报道的PANI基电致变色织物。

图3：AECF在宽温度范围内（−5°C至50°C）的电化学行为和电化学性能。

图3(a、b) 显示 4 M ZnCl₂凝胶电解质在 25℃时离子电导率达26.8mS cm⁻¹，且活化能最低（10.22 kJ mol⁻¹），离子传输效率优异。图3c的 EIS 曲线表明电化学过程受扩散控制，电荷转移阻力低。图3d的GCD曲线显示温度升高时电容增强，图3(e、f)证实AECF在-5℃时仍保留89.5%初始反射调制率，50℃时光调制性能进一步提升，宽温域适应性满足极端环境应用需求。

要点三

机械性能与任意表面贴合性

图4：AECF的弯曲稳定性和表面贴合性测试图。

图4a显示，AECF在0°-180°弯曲角度下，电容保留率接近96%，电化学活性基本不受影响。图4b的CV曲线表明，经过5000次弯曲循环后，AECF仍能保持86.7%的初始电容，弯曲稳定性优异。图4c的反射光谱显示，5000次弯曲循环前后，AECF的光调制性能无明显衰减，可逆性良好。图4d（上）展示了AECF贴合圆柱、棱柱、圆锥等不同形状表面的实物照片，在高/低反射态下均能稳定保持颜色切换；（下）的CV曲线对比表明，贴合任意表面后，AECF的电化学行为与平整状态基本一致，验证了其出色的贴合性和机械稳定性。

这种优异的机械性能源于一体化结构设计和尼龙基底的多孔特性：各功能层紧密集成避免了层间应力集中，多孔结构为弯曲过程中的机械应力提供了缓冲空间。

要点四

红外调控机制与伪装应用展示

图5：PANI的红外调制机制及AECF的环境自适应伪装测试图。

图5(a、b)通过DFT模拟揭示了PANI的红外调制机制：还原态（LB）PANI的HOMO-LUMO能隙为4.00eV，仅在385nm处有π-π*跃迁吸收峰，无红外吸收；氧化态（ES）PANI的能隙缩小至1.05eV，在992nm处出现极化子峰，产生红外吸收。图5(c、d)的分子轨道能级图表明，ES态PANI在占据轨道和空轨道之间形成了极化子能级，使得电子跃迁能量落入近红外区域，从而实现红外调制。

图5e（上）展示了AECF与模型车集成的环境自适应伪装系统：模型车在沙漠区域时，AECF呈土黄色；进入丛林区域后，通过电压调控切换为深绿色，实现可见光波段的环境融合。（下）的红外热成像图显示，在沙漠（高温）环境中，AECF表现出高红外辐射特性，与环境热特征匹配；在丛林（低温）环境中，红外辐射特性降低，接近丛林背景的红外热辐射，实现了红外波段的动态伪装。CIELAB颜色空间分析表明，AECF在黃色态与沙漠背景的色差ΔE*_ab为9.73，绿色态与丛林背景的色差为4.56，具备良好的可见光伪装效果。

图6: 聚苯胺的LB态和ES态的前沿分子轨道和相应的能级。

从图中可以看出，PANI在ES态的HOMO-LUMO能隙最小（1.05 eV），比LB态（4.00 eV）窄，这是由于在LB态氧化成ES态时，电流载流子注入了导带。

图7：AECF在高反射率(a)和低反射率(b)状态下的可见光照片（上）和相应的红外热像（下）。

本文小结

该工作通过将对称PANI电致变色材料集成到尼龙织物中，开发了一种高度集成的柔性AECF。其核心优势在于：1）一体化结构设计解决了传统多层电致变色织物的刚性、层间剥离和兼容性问题，实现了82.0μm的超薄厚度和优异柔性；2）基于PANI的双波段光调制特性，实现了金黃色-深绿色的可逆切换，兼具可见光和红外调控能力；3）宽温域稳定性（-5℃至50℃）和长循环稳定性，满足极端环境应用需求；4）出色的任意表面贴合性，成功应用于环境自适应伪装系统，实现可见光和红外波段的动态伪装。

该研究为开发高性能电致变色织物提供了新思路，其在智能可穿戴电子设备、军事动态伪装等领域具有广阔的应用前景。未来的研究方向可进一步优化 PANI 的红外调制效率，拓展其在更广泛场景中的应用。

作者介绍

第一作者

王雨豪

北京工业大学材料科学与工程学院研究生，主要研究方向为电致变色材料与器件，在柔性电致变色织物的结构设计与性能优化方面有深入研究，参与本项目的核心实验设计与数据分析工作。

通讯作者

张倩倩

张倩倩，北京工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事纳米通道膜材料离子输运性质调控及其能源和电致变色应用研究。目前以第一作者/通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文100余篇，论文引用次数超4000余次，H因子38，其原创成果入选“北京市广受关注学术成果”。已获授权国家发明专利11项，实现技术转化3项。先后主持国家自然科学基金、军委科技委工程项目、北京市自然科学基金、市科委项目等10余项。担任Carbon Neutralization等期刊青年编委。

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期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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