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清華大學(xué)楊誠最新Nature子刊：一種無傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計的電致變色智能窗

研究背景

電致變色（Electrochromic, EC）器件作為一種新興的節(jié)能和調(diào)光技術(shù)，展示了動態(tài)調(diào)節(jié)光和熱透射率的能力，是未來智能建筑、智能汽車天窗以及智能可穿戴設(shè)備的重要技術(shù)組成。然而，傳統(tǒng)的EC器件的商業(yè)化面臨著諸如高成本、復(fù)雜的制造工藝以及依賴離子嵌入/脫出機(jī)制的傳統(tǒng)EC材料固有的低光學(xué)對比度等障礙的挑戰(zhàn)。

研究內(nèi)容

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院材料研究院楊誠副教授團(tuán)隊開發(fā)出一種無電極的電致變色器件（EECD）。該器件在組裝過程中和漂白狀態(tài)下不包含EC層，僅由兩個透明導(dǎo)電基底和水系電解質(zhì)組成。它采用了一種全新的雙沉積溶解電致變色體系，通過陽極Cu/Cu²⁺和陰極MnO₂/Mn²⁺的同時沉積和溶解來實現(xiàn)均勻變色，從而免除了復(fù)雜的電致變色層制備步驟。這種極簡設(shè)計不僅簡化了制造過程，還展示了優(yōu)異的電致變色性能，對大規(guī)模生產(chǎn)尤其有利。

該研究成果以“Electrochromic windows with fast response and wide dynamic range for visible-light modulation without traditional electrodes”為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上，清華大學(xué)深圳國際研究生院碩士生賈卓飛、隋一明、錢龍為本文共同第一作者。其他作者包括任汐、趙云翔、姚銳、以及晁棟梁教授（復(fù)旦大學(xué)），清華大學(xué)深圳國際研究生院楊誠副教授為文章的通訊作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1 “無電極”電致變色器件（EECD）的原理結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理

圖2 MnO₂/Mn²⁺沉積/溶解反應(yīng)的電致變色性能研究

圖3 在FTO電極上的MnO₂/Mn²⁺沉積/溶解多過程反應(yīng)的機(jī)理研究

圖4 “無電極”電致變色器件的電致變色性能測試

圖5 “無電極”電致變色器件（EECD）的可擴(kuò)展性研究

研究結(jié)論

綜上所述，研究團(tuán)隊提出了具有雙沉積/溶解機(jī)制的“無電極”EC窗口的新概念，其變色功能由陰極和陽極上相應(yīng)的固液轉(zhuǎn)換反應(yīng)實現(xiàn)，例如該研究所展示的通過陰極MnO₂/Mn²⁺和陽極Cu²⁺/Cu的沉積/溶解反應(yīng)的動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制。著色狀態(tài)下得益于MnO₂和Cu互補的光屏蔽效果，EECD實現(xiàn)了85%的高光學(xué)對比度，并在可見光波段實現(xiàn)0.01%的透過率。此外，EECD可以穩(wěn)定循環(huán)10000次后無明顯的性能衰退。作為電致變色的新概念，這為種類繁多的基于沉積/溶解反應(yīng)的電極材料應(yīng)用于電致變色器件提供了首次例證。

文獻(xiàn)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

團(tuán)隊介紹

楊誠，清華大學(xué)深圳國際研究生院材料研究院長聘副教授，科技部某高端專家引進(jìn)計劃獲得者、廣東省本土創(chuàng)新團(tuán)隊核心成員、深圳市蓋姆石墨烯中心核心成員。曾獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明獎（金獎）、中國發(fā)明創(chuàng)新獎金獎（一等獎二次）、中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文，廣東省材料研究學(xué)會青年科技獎、廣東省杰出青年科學(xué)基金等榮譽，承擔(dān)國家基金委國際（地區(qū)）合作重點項目、面上項目、廣東省重大科技專項等項目，并有多項成果實現(xiàn)轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。楊誠老師研究團(tuán)隊在新型能源器件的制備及原理研究、金屬微納結(jié)構(gòu)的形態(tài)調(diào)控與應(yīng)用等方向取得多項重要進(jìn)展，近年指導(dǎo)學(xué)生在Chem. Rev., Nat. Commun., JACS, Angew, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等雜志發(fā)表多篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，并獲得50余項發(fā)明專利授權(quán)。

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