清华大学杨诚最新Nature子刊：一种无传统电极结构设计的电致变色智能窗

研究背景

电致变色（Electrochromic, EC）器件作为一种新兴的节能和调光技术，展示了动态调节光和热透射率的能力，是未来智能建筑、智能汽车天窗以及智能可穿戴设备的重要技术组成。然而，传统的EC器件的商业化面临着诸如高成本、复杂的制造工艺以及依赖离子嵌入/脱出机制的传统EC材料固有的低光学对比度等障碍的挑战。

研究内容

近日，清华大学深圳国际研究生院材料研究院杨诚副教授团队开发出一种无电极的电致变色器件（EECD）。该器件在组装过程中和漂白状态下不包含EC层，仅由两个透明导电基底和水系电解质组成。它采用了一种全新的双沉积溶解电致变色体系，通过阳极Cu/Cu²⁺和阴极MnO₂/Mn²⁺的同时沉积和溶解来实现均匀变色，从而免除了复杂的电致变色层制备步骤。这种极简设计不仅简化了制造过程，还展示了优异的电致变色性能，对大规模生产尤其有利。

该研究成果以“Electrochromic windows with fast response and wide dynamic range for visible-light modulation without traditional electrodes”为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，清华大学深圳国际研究生院硕士生贾卓飞、隋一明、钱龙为本文共同第一作者。其他作者包括任汐、赵云翔、姚锐、以及晁栋梁教授（复旦大学），清华大学深圳国际研究生院杨诚副教授为文章的通讯作者。

图文导读

图1 “无电极”电致变色器件（EECD）的原理结构和工作机理

图2 MnO₂/Mn²⁺沉积/溶解反应的电致变色性能研究

图3 在FTO电极上的MnO₂/Mn²⁺沉积/溶解多过程反应的机理研究

图4 “无电极”电致变色器件的电致变色性能测试

图5 “无电极”电致变色器件（EECD）的可扩展性研究

研究结论

综上所述，研究团队提出了具有双沉积/溶解机制的“无电极”EC窗口的新概念，其变色功能由阴极和阳极上相应的固液转换反应实现，例如该研究所展示的通过阴极MnO₂/Mn²⁺和阳极Cu²⁺/Cu的沉积/溶解反应的动态调节机制。着色状态下得益于MnO₂和Cu互补的光屏蔽效果，EECD实现了85%的高光学对比度，并在可见光波段实现0.01%的透过率。此外，EECD可以稳定循环10000次后无明显的性能衰退。作为电致变色的新概念，这为种类繁多的基于沉积/溶解反应的电极材料应用于电致变色器件提供了首次例证。

文献信息

Zhuofei Jia, Yiming Sui, Long Qian, Xi Ren, Yunxiang Zhao, Rui Yao, Lumeng Wang, Dongliang Chao, Cheng Yang. Electrochromic windows with fast response and wide dynamic range for visible-light modulation without traditional electrodes, Nature Communications, 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-50542-3

团队介绍

杨诚，清华大学深圳国际研究生院材料研究院长聘副教授，科技部某高端专家引进计划获得者、广东省本土创新团队核心成员、深圳市盖姆石墨烯中心核心成员。曾获日内瓦国际发明奖（金奖）、中国发明创新奖金奖（一等奖二次）、中国百篇最具影响国际学术论文，广东省材料研究学会青年科技奖、广东省杰出青年科学基金等荣誉，承担国家基金委国际（地区）合作重点项目、面上项目、广东省重大科技专项等项目，并有多项成果实现转化并产生显著经济效益。杨诚老师研究团队在新型能源器件的制备及原理研究、金属微纳结构的形态调控与应用等方向取得多项重要进展，近年指导学生在Chem. Rev., Nat. Commun., JACS, Angew, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等杂志发表多篇高质量学术论文，并获得50余项发明专利授权。

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清华大学杨诚最新Nature子刊：一种无传统电极结构设计的电致变色智能窗

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