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  全球能源危機(jī)與氣候變暖持續(xù)加劇，建筑能耗正成為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。然而，建筑中的照明、制冷與空調(diào)系統(tǒng)約占全球能源消耗的20%，其中相當(dāng)部分來自窗戶透過的可見光與近紅外熱輻射。如何在確保視覺舒適的同時調(diào)控太陽光入射與熱量傳遞，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能與低碳化的關(guān)鍵。在眾多節(jié)能方案中，電致變色（Electrochromic, EC）智能窗因可在外加電壓下實(shí)現(xiàn)透明與遮光狀態(tài)的可逆切換，能夠動態(tài)調(diào)節(jié)太陽光的可見光與近紅外透過率，從而兼顧采光舒適與能耗控制，被認(rèn)為是最具潛力的智能節(jié)能技術(shù)之一。

  目前的電致變色材料體系中，有機(jī)小分子憑借結(jié)構(gòu)可設(shè)計和顏色多樣等特點(diǎn)備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)有機(jī)體系仍存在近紅外吸收不足、循環(huán)穩(wěn)定性有限及調(diào)光模式單一等問題，難以同時實(shí)現(xiàn)低透過率遮光與高循環(huán)壽命，成為高性能電致變色窗發(fā)展的主要瓶頸。

  針對上述問題，東華大學(xué)王宏志、李克睿團(tuán)隊(duì)提出了“聚集增強(qiáng)近紅外調(diào)制”的設(shè)計策略。研究團(tuán)隊(duì)合成了含三嗪核心的雜芳香族三吡啶衍生物（H-TriPy），通過擴(kuò)展分子的共軛度，實(shí)現(xiàn)了電致變色后分子的有序π-π堆積，顯著增強(qiáng)近紅外吸收能力，為實(shí)現(xiàn)寬譜調(diào)控型電致變色奠定了基礎(chǔ)。

  該工作以“Heteroaromatic π-stacking engineered near-infrared absorption for highly stable near-zero transmittance electrochromic window”為題，發(fā)表在Nature Communications上。論文第一作者為東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生吳錫錄，共同通訊作者為王宏志教授和李克睿研究員。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會及國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目的資助。

圖1 雜芳香族三吡啶分子(H-TriPy)的分子結(jié)構(gòu)及π-π堆積增強(qiáng)近紅外吸收機(jī)制。

圖2 H-TriPy分子的電化學(xué)行為與光譜響應(yīng)特性。

  循環(huán)伏安測試顯示，H-TriPy分子具有多步可逆氧化還原特性，體現(xiàn)出穩(wěn)定的多電子轉(zhuǎn)移行為。原位透過率光譜結(jié)果顯示，隨著外加電壓從0 V逐步負(fù)移，可見光透過率持續(xù)下降，近紅外區(qū)的調(diào)制幅度進(jìn)一步增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了從可見到近紅外波段的寬譜光學(xué)調(diào)控。理論計算與表征結(jié)果進(jìn)一步揭示，還原態(tài)下的H-TriPy自由基之間會形成穩(wěn)定的π-π堆積，從而顯著增強(qiáng)近紅外吸收強(qiáng)度。小角X射線散射與紅外光譜結(jié)果也驗(yàn)證了在著色態(tài)下分子間聚集增強(qiáng)的特征，證實(shí)了由π-π堆積引發(fā)的近紅外吸收增強(qiáng)機(jī)理。

圖3 H-TriPy電致變色器件的循環(huán)穩(wěn)定性與動態(tài)π-π堆積調(diào)控機(jī)制。

  研究團(tuán)隊(duì)提出了基于“動態(tài)π-π堆積調(diào)控”的穩(wěn)定化策略，通過在電致變色凝膠中引入氟代離子液體（F-IL），利用其高電負(fù)性和體積位阻削弱H-TriPy自由基間的“煎餅鍵”作用，促進(jìn)二聚體在漂白過程中的可逆解離。該策略有效抑制了自由基積聚和不可逆著色現(xiàn)象，顯著提升了器件的耐久性。在持續(xù)切換10萬次后，器件的光學(xué)調(diào)制幅度仍保持約89.1%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)體系。此外，基于F-IL/H-TriPy的大面積器件在持續(xù)切換4,000次后仍保持91.4%的初始光學(xué)調(diào)制幅度。經(jīng)180天自然老化和60°C熱貯存測試后，器件性能幾乎無衰減，展現(xiàn)出卓越的化學(xué)穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性，為智能窗的長期可靠應(yīng)用提供了堅實(shí)保障。

圖4 H-TriPy智能窗的光熱調(diào)控與節(jié)能性能。

  H-TriPy基電致變色智能窗可實(shí)現(xiàn)從透明、冷態(tài)到暗態(tài)的可逆調(diào)控，兼具可見光與近紅外雙譜段調(diào)節(jié)功能。電致變色窗在冷態(tài)和暗態(tài)下的窗口背面黑體溫度分別低至35.3°C和27.6°C，而在亮態(tài)下則超過50.4°C。基于模型房間測試中，室內(nèi)溫升分別為11.7°C、6.7°C和3.1°C，表明其具有優(yōu)異的光熱調(diào)控能力。建筑能耗模擬結(jié)果顯示，該智能窗在全球多種氣候條件下年均節(jié)能達(dá)45.7 MJ m^-2，表現(xiàn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)Low-E玻璃，展現(xiàn)出廣闊的綠色建筑應(yīng)用潛力。

  王宏志教授、李克睿研究員團(tuán)隊(duì)長期從事電致變色技術(shù)的系統(tǒng)化研究，形成了從材料分子設(shè)計到器件功能集成的完整技術(shù)體系。團(tuán)隊(duì)在電致變色材料的設(shè)計與性能調(diào)控（Nat. Commun., 2025, 16, 9964; Sci. Adv., 2025, 11, eaea1304; Nano Lett., 2025, 25, 5035; Nat. Commun., 2021, 12, 1587; ACS Nano, 2018, 12, 3759-3768）及電致變色器件的纖維化與功能集成（Adv. Funct. Mater., 2025, e22498; Device, 2025, 3, 100599; Adv. Mater., 2024, 36, 2305914; Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2310858; Nat. Commun., 2018, 9, 4798）等方面取得了系列重要進(jìn)展。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64955-1