基于聚丙烯酰胺（PAAm）的高性能电致变色水凝胶的简易制备方法及其简单的双层电致变色器件

《Dyes and Pigments》：Facile Fabrication of PAAm-Based High-Performance Electrochromic Hydrogel and its Simple Double-layer Electrochromic Devices

聚丙烯酰胺基溴化联吡啶水凝胶电解质制备及双层器件性能研究。采用热聚合法制备了以聚丙烯酰胺（PAAm）为基体、溴化1,1'-二乙基-4,4'-联吡啶盐（EtVBr2）为活性成分的电致变色水凝胶电解质，组装成双层器件（透明电极/水凝胶），表现出高透光率（91.0%）和离子电导率（4.41×10^-3 S/cm），具有操作简单、成本降低的优势。

　　本研究聚焦于一种新型的电致变色材料与固态凝胶电解质的结合，旨在推动电致变色显示技术向实际应用发展。通过合成一种水溶性的紫精衍生物——二溴-1,1'-二乙基-4,4'-联吡啶盐（EtVBr?），并将其作为活性成分，结合去离子水作为溶剂、LiBF?作为电解质以及丙烯酰胺（AAm）作为单体，采用热聚合的方法制备出具有电致变色性能的PAAm基水凝胶电解质。这种电致变色水凝胶不仅表现出优异的光学透过率（91.0%）和离子电导率（4.41×10?3 S·cm?1），还能够实现高效的光学对比度（60.3%）和良好的循环稳定性（在200次循环后仍能保持52.1%的初始光学对比度）。与传统的电致变色水凝胶以及“三明治”结构的电致变色装置相比，这种电致变色水凝胶的制备方法更为简便，有助于降低制造成本和复杂性，使其更易于在日常生活中应用。

电致变色材料和装置（ECDs）在外部电压作用下能够通过氧化还原反应实现光学透过率、反射率和颜色的可逆变化。相较于传统显示设备，ECDs无需背光，避免了视觉盲区，并且在低电压下即可运行。因此，在过去几十年中，ECDs已被广泛应用于智能窗户、显示屏、电子纸、军事伪装等多个领域。然而，传统的电致变色装置采用“三明治”结构，包括透明导电层、电致变色层、电解质层和离子存储层，虽然这种结构目前被广泛使用，但仍存在一些不足。例如，制备过程复杂、周期长、成本高，且多层结构增加了不确定性。因此，研究者们开始关注如何通过凝胶电解质来解决电解液泄漏的问题，同时减少装置的功能层，简化制造流程，提高设备的稳定性。

目前，能够实现高透明度与彩色状态切换的电致变色材料已经接近实际应用。然而，聚合物电致变色材料由于自身的聚合度和共轭结构等问题，难以达到高透明度的要求，同时与凝胶电解质的集成也面临挑战。这使得研究者们将注意力转向有机小分子。通过将电致变色有机小分子直接加入凝胶电解质中，形成一个单一的电活性层，可以构建出结构更简单的电致变色装置。例如，Bruno等人采用离子液体BMImNTf?作为电解质，并加入乙基紫精作为电致变色小分子，构建出三层结构的电致变色装置。同样，Fu等人通过将紫精分子悬浮在聚离子液体（PIL）中，形成一个可同时作为电致变色材料和电解质的单层结构，从而简化了电致变色装置的构造。这些集成设计不仅减少了材料浪费，还避免了传统液态电解质或电致变色聚合物可能带来的泄漏风险和低透明度问题。然而，这些传统的聚合物盐-溶剂系统通常会导致污染问题，包括可回收性降低、安全隐患以及环境污染。因此，开发新型的绿色电解质系统成为解决这类一体化电致变色装置缺陷的迫切需求。

水凝胶是一种以水为分散介质的三维网络结构的交联聚合物，因其优异的吸水性、无毒性和生物相容性而受到广泛关注。近年来，许多研究者尝试将水凝胶用于电致变色装置中，以提高其性能和实用性。例如，Zhang等人通过将去离子水、羧甲基壳聚糖和维生素C结合，制备出一种新型的水凝胶电解质系统，并将二乙基紫精溴化物作为电致变色小分子加入其中，形成具有“透明电极/电致变色水凝胶/透明电极”结构的三明治式电致变色装置。该装置能够在-1.2 V至0 V的电压范围内实现可逆的无色到紫色颜色变化，同时展现出较高的光学对比度（64.1%）和着色效率（243 cm2·C?1）。此外，Fang等人通过合成一种多功能的水凝胶电解质，并将其直接堆叠在氧化钨薄膜上，构建出一种新型的电致变色装置结构。与传统的“三明治”结构不同，水凝胶电解质取代了透明导电电极和离子存储层，使得整个装置仅由“水凝胶/氧化钨/透明电极”三层组成。这种设计不仅简化了结构，还提高了性能，其光学对比度变化可达70%，且响应时间较短（着色和褪色时间均为5秒）。

在上述研究的基础上，本研究进一步探索了能否将电致变色装置的结构进一步简化为双层系统。研究思路是将电致变色物质直接集成到高度导电的水凝胶基质中，从而消除专用的电致变色层及其相关界面，形成“ITO/电致变色水凝胶”结构的装置。为了实现这一目标，研究者需要设计和合成一种具有高离子电导率的水凝胶电解质，并将相应的电致变色有机小分子整合其中，以制备出具有高导电性的电致变色水凝胶。通过这种方法，可以进一步减少装置的层数，从而获得一个双层结构的电致变色装置。本研究采用具有优异机械性能的PAAm水凝胶作为基底，并通过掺杂二溴乙基紫精电致变色小分子，制备出具有电致变色性能的水凝胶。这种水凝胶不仅表现出良好的光学透过率和离子电导率，还能够实现高效的光学对比度变化。随后，将该水凝胶直接附着在单层的ITO导电玻璃上，构建出“电致变色水凝胶/透明电极”结构的双层电致变色原型装置，并对其电致变色性能进行了进一步研究。

本研究的创新之处在于通过一种简单的热聚合方法，成功制备出具有电致变色能力的水凝胶，并将其与单层透明电极结合，构建出结构更简单的双层电致变色装置。相比传统的三明治结构，这种双层设计不仅减少了装置的层数，还简化了制造流程，降低了制造成本。此外，这种设计避免了在最终装置组装过程中使用挥发性有机溶剂，从而提高了装置的安全性和环保性。这使得电致变色装置更易于大规模生产和应用，为未来智能显示技术的发展提供了新的思路和方向。

从材料的角度来看，电致变色水凝胶的设计和合成需要考虑多个方面。首先，水凝胶的机械性能必须足够强，以确保在实际应用中不会因为外部压力或机械损伤而破裂或失效。其次，水凝胶的光学透过率必须高，以便在电致变色过程中准确显示颜色变化。此外，水凝胶的离子电导率也需要达到一定水平，以确保电致变色反应能够高效进行。在本研究中，通过选择具有优良机械性能的PAAm水凝胶作为基底，并掺杂二溴乙基紫精电致变色小分子，成功实现了上述要求。这种水凝胶不仅具有良好的光学透过率（91.0%）和离子电导率（4.41×10?3 S·cm?1），还能够实现高效的光学对比度变化，为电致变色装置的性能提升提供了重要支持。

在实际应用中，电致变色装置的结构和性能对于其商业化至关重要。传统的三明治结构虽然功能齐全，但其复杂的制备过程和较高的成本限制了其广泛应用。相比之下，双层结构的电致变色装置不仅简化了结构，还降低了制造难度和成本，使其更易于进入市场。此外，这种结构还减少了材料的使用量，提高了装置的可回收性和环保性。因此，本研究的成果对于推动电致变色显示技术的商业化具有重要意义。通过将电致变色小分子直接集成到水凝胶中，形成一个单一的电活性层，不仅简化了装置的结构，还提高了其稳定性和性能。这种设计思路为未来电致变色装置的发展提供了新的方向，同时也为相关领域的研究提供了重要的参考价值。

从技术的角度来看，本研究的创新在于将电致变色材料与凝胶电解质相结合，形成一种多功能的水凝胶体系。这种水凝胶体系不仅具备良好的导电性，还能够实现高效的光学对比度变化，从而满足电致变色装置对性能和结构的要求。此外，该水凝胶体系的制备过程相对简单，避免了传统三明治结构中复杂的多层制备步骤，从而提高了生产效率和降低成本。这种设计不仅适用于电致变色显示技术，还可能拓展到其他领域，如智能窗户、电子纸、军事伪装等。通过进一步优化水凝胶的性能和结构，可以提高其在实际应用中的适应性，使其更符合市场需求。

从研究方法的角度来看，本研究采用热聚合的方法制备PAAm基水凝胶，这一方法具有操作简便、成本低、环境友好等优点。同时，通过将电致变色小分子直接掺杂到水凝胶基质中，实现了材料的高效集成。这种集成方法不仅提高了装置的性能，还减少了材料的使用量，从而降低了制造成本。此外，该方法还避免了在最终装置组装过程中使用挥发性有机溶剂，提高了装置的安全性和环保性。因此，本研究的成果不仅在技术上具有创新性，还在方法上具有可推广性，为未来相关研究提供了重要的参考价值。

从应用前景来看，本研究开发的双层电致变色装置具有广泛的应用潜力。其结构简单、成本低、性能优异，使得该装置更易于大规模生产和应用。同时，该装置在无需封装的情况下，能够实现高效的光学对比度变化，这在实际应用中具有重要意义。例如，在智能窗户领域，该装置可以实现窗户的透明与不透明状态的切换，从而有效调节室内光照和温度。在电子纸领域，该装置可以实现屏幕的低功耗和高对比度，提高电子纸的显示效果。在军事伪装领域，该装置可以实现动态的颜色变化，从而提高伪装效果。此外，该装置还具有良好的循环稳定性，这使得其在长期使用中能够保持稳定的性能，提高了装置的可靠性。

从环境和可持续性的角度来看，本研究开发的电致变色水凝胶体系具有重要的环保意义。相比传统的液态电解质或电致变色聚合物，该水凝胶体系的制备过程更加环保，减少了材料的使用量和污染风险。此外，该水凝胶体系的可回收性较高，有助于减少资源浪费，提高材料的利用率。因此，该水凝胶体系不仅在性能上具有优势，还在环境和可持续性方面表现出良好的前景。这使得该装置更符合现代社会对绿色技术和可持续发展的需求，为未来电致变色显示技术的发展提供了新的方向。

从经济性的角度来看，本研究开发的双层电致变色装置具有较高的经济价值。其结构简单，减少了制造步骤和材料成本，使得该装置的生产成本相对较低。同时，该装置的性能优异，能够满足市场需求，提高其商业价值。此外，该装置在无需封装的情况下即可运行，这进一步降低了制造和维护成本，提高了装置的经济性。因此，该装置不仅在技术上具有创新性，还在经济性方面表现出良好的前景，为未来电致变色显示技术的商业化提供了重要的支持。

从研究的背景来看，电致变色显示技术的发展受到多方面因素的制约。传统装置的复杂结构和高成本限制了其广泛应用，而新型材料和方法的出现为这一技术的突破提供了可能。本研究通过将电致变色小分子直接集成到水凝胶中，形成一种多功能的水凝胶体系，从而实现了装置的结构简化和性能提升。这种研究思路不仅有助于推动电致变色显示技术的发展，还为相关领域的研究提供了重要的参考价值。此外，该研究还强调了绿色电解质系统的重要性，为未来电致变色装置的环保发展提供了新的方向。

从研究的意义来看，本研究的成果不仅在技术上具有创新性，还在应用和推广方面表现出良好的前景。通过开发一种具有电致变色能力的水凝胶体系，使得电致变色装置的结构更加简单，制造成本更低，性能更优，从而提高了其商业价值和实用性。此外，该研究还强调了绿色技术的重要性，为未来电致变色装置的可持续发展提供了重要的支持。因此，该研究不仅在学术上具有重要意义，还在实际应用中具有重要的价值。

从研究的未来展望来看，电致变色显示技术的发展仍面临诸多挑战。例如，如何进一步提高水凝胶的离子电导率和光学对比度，如何优化装置的结构以提高其稳定性和耐用性，如何降低成本以提高其市场竞争力等。这些问题需要进一步的研究和探索。本研究为这些问题提供了一些初步的解决方案，但仍需进一步完善。未来，研究者可以继续探索其他类型的电致变色小分子和水凝胶体系，以提高装置的性能和实用性。此外，还可以研究如何将该技术应用于更多领域，如智能窗户、电子纸、军事伪装等，以拓展其应用范围。

从研究的学术价值来看，本研究在电致变色材料和装置的集成方面取得了重要进展。通过将电致变色小分子直接集成到水凝胶中，形成一种多功能的水凝胶体系，不仅提高了装置的性能，还简化了其结构。这种研究思路为未来电致变色材料和装置的集成提供了新的方向，同时也为相关领域的研究提供了重要的参考价值。此外，该研究还强调了绿色技术的重要性，为未来电致变色装置的可持续发展提供了重要的支持。

从研究的工程应用角度来看，本研究开发的双层电致变色装置具有较高的工程价值。其结构简单，制造成本低，性能优异，使得该装置更易于大规模生产和应用。此外，该装置在无需封装的情况下即可运行，这进一步降低了制造和维护成本，提高了装置的经济性。因此，该装置不仅在技术上具有创新性，还在工程应用方面表现出良好的前景。

综上所述，本研究通过合成一种具有电致变色能力的水凝胶体系，成功构建出一种结构更简单的双层电致变色装置。该装置在光学透过率、离子电导率、光学对比度和循环稳定性等方面表现出优异的性能，同时其制备方法更加简便，制造成本更低，环保性更强。这些成果不仅在学术上具有重要意义，还在工程应用和商业推广方面表现出良好的前景。未来，研究者可以继续探索其他类型的电致变色材料和水凝胶体系，以进一步提高装置的性能和实用性，推动电致变色显示技术向更广泛的应用领域发展。