院士領(lǐng)銜！西北工業(yè)大學(xué)/北京大學(xué)孟鴻教授團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：黑色電致變色材料的設(shè)計(jì)合成方案用于汽車全景天窗
黑色至透明的電致變色被譽(yù)為有機(jī)光電子學(xué)的圣杯，盡管潛力巨大，但設(shè)計(jì)出能完全吸收可見光的黑色電致變色材料仍是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，同時(shí)具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間和高著色效率的電活性材料并不多見。
2024年9月30日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、北京大學(xué)深圳研究生院孟鴻教授團(tuán)隊(duì)合作在Nature Communications期刊發(fā)表題為“High-Performance Black Copolymers Enabling Full Spectrum Control in Electrochromic Devices”的研究論文，西北工業(yè)大學(xué)陳定輝為論文第一作者，孟鴻教授為論文通訊作者。西北工業(yè)大學(xué)為第一單位。
該研究通過合理選擇四種單體，成功設(shè)計(jì)了能夠完全吸收整個(gè)可見光譜的共聚物。通過加入兩種極性側(cè)鏈來協(xié)同增強(qiáng)共聚物的離子電導(dǎo)率，從而提高了電致變色器件（ECDs）的性能。在這些電致變色器件中，P2-a器件的循環(huán)穩(wěn)定性超過了105次，P2-c器件的著色/褪色時(shí)間為0.82秒/0.86秒，著色效率達(dá)到了1078 cm2/C。該研究提出了一種設(shè)計(jì)和合成高性能黑色電致變色（EC）共聚物的策略。
為了解決可見光光譜吸收不足的問題，研究人員創(chuàng)新性地引入了螺芴，并在ProDOT單元上接枝了富電子基團(tuán)（醚鏈），而不是使用傳統(tǒng)的烷基取代芴單體單元。該方法使得能夠通過四元共聚合成出具有寬吸收范圍的共聚物。通過精心優(yōu)化合成條件并策略性地調(diào)整ProDOT和螺芴單體的濃度，成功合成了具有最佳光學(xué)和電化學(xué)特性的黑色共聚物。在共聚物的開發(fā)過程中，巧妙地利用了三基色設(shè)計(jì)原理，從而獲得了具有出色色彩飽和度和穩(wěn)定性的黑色EC材料。最后，將酯和三甘醇（TEG）側(cè)鏈加入共聚物中，通過協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)其離子電導(dǎo)率，這對綜合EC性能至關(guān)重要。該研究提出了一種設(shè)計(jì)高性能黑色EC共聚物的策略，為共EC技術(shù)的進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)。
圖1 共聚物的紫外可見光譜和能級
圖2 ECDs的結(jié)構(gòu)和性能
圖3 ECDs的照片和CV曲線
該工作是團(tuán)隊(duì)在電致變色材料和器件制備方面的最新進(jìn)展。研究中開發(fā)的黑色電致變色材料在汽車全景天窗中的應(yīng)用前景尤其令人期待。隨著全球?qū)?jié)能和環(huán)保的要求不斷提升，智能天窗等技術(shù)已成為建筑節(jié)能的重要方向之一。總之，該研究證明了在隨機(jī)直接C-H芳基化聚合過程中，通過簡單調(diào)整不同單體類型的進(jìn)料比，可以精確控制共聚物的吸收光譜。通過精心優(yōu)化合成條件和四種單體的進(jìn)料比，初步確定了在可見光區(qū)域合成全吸收共聚物的進(jìn)料比：F = 0.25當(dāng)量，P = 0.5當(dāng)量，B = 0.25當(dāng)量。總之，該研究代表了高性能黑色EC材料設(shè)計(jì)的重大進(jìn)展，并為包括有機(jī)光伏和傳感器技術(shù)在內(nèi)的各種應(yīng)用提供了解決方案。該研究開發(fā)的策略和方法為進(jìn)一步推動(dòng)EC材料及其多樣化應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
通訊作者簡介：
孟鴻，北京大學(xué)深圳研究生院教授，國家級人才。專注于有機(jī)電致發(fā)光（OLED）材料與器件制備工藝、有機(jī)電致變色材料器件及超級電容器、有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）材料器件及有機(jī)光電傳感（OPD）、柔性可拉伸電子材料器件、鈣鈦礦/量子點(diǎn)及能源相關(guān)材料器件等研究。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52430-2
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