一石二鸟：兼具快速响应多色电致变色与优异超级电容行为的聚苯胺薄膜研究

针对聚苯胺（PANI）材料电致变色与电容性能难以协同提升的挑战，研究人员通过恒电流（GS）电聚合技术制备了多孔纳米结构PANI薄膜。该材料实现了透明、黄、绿、蓝、紫的多色转换（50%光学对比度，0.1s响应速度），同时具备509F g?1的高比电容，为电致变色储能（EES）器件提供了双功能集成解决方案，推动智能窗与超级电容器的发展。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，开发兼具节能与储能功能的智能材料成为研究热点。电致变色技术（如智能窗）可通过调节光线降低建筑能耗，而超级电容器能高效存储可再生能源电力。聚苯胺（PANI）因其导电性、多色电致变色特性和高理论电容（2000F g^?1），成为电致变色储能（EES）器件的理想候选材料。然而，现有PANI材料难以平衡光学性能与电容性能——高比电容往往伴随低光学对比度，反之亦然。这一矛盾严重限制了其实际应用。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，提出通过恒电流（GS）电聚合技术调控PANI薄膜的纳米结构。该方法摒弃了复杂的化学修饰，直接通过聚合时间控制材料形貌。研究发现，PANI薄膜在生长过程中经历两阶段演变，最终形成由多尺寸颗粒组成的网状多孔结构。这种结构显著提升了活性比表面积，为离子迁移和电子转移提供了高效通道。

研究采用电化学沉积、扫描电镜（SEM）和紫外-可见光谱等技术，系统评估了材料的导电性、光学特性和电容性能。通过优化制备参数，团队成功获得兼具快速响应（0.1s）、宽色域（5种颜色转换）和高比电容（509F g^?1）的PANI薄膜。

材料表征与生长机制
SEM显示PANI薄膜呈现由纳米棒交织形成的多孔网络结构。随着聚合时间延长，表面逐渐形成多尺寸颗粒，这种分级结构有利于离子扩散和电荷存储。X射线衍射（XRD）证实材料具有高结晶度，傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示了苯式/醌式结构的协同存在，这是实现多重氧化还原反应的关键。

电致变色性能
在-0.2V至1.0V电压区间，薄膜呈现透明（-0.2V）、黄色（0.2V）、绿色（0.4V）、蓝色（0.8V）和紫色（1.0V）的动态转换，覆盖可见光全波段。630nm波长处光学对比度达50%，远超多数报道的PANI基材料。循环稳定性测试表明，经过1000次切换后性能保持率超过90%。

超级电容行为
在三电极体系中，PANI薄膜在1A g^?1电流密度下比电容达509F g^?1，接近理论值的25%。即使电流密度增至10A g^?1，电容保留率仍达78%，表明优异的倍率性能。这种高电容归因于分级孔隙结构提供的丰富活性位点和短离子扩散路径。

集成器件验证
研究人员进一步构建了EES原型器件，证实PANI薄膜可同时实现电致变色和电容储能功能。器件在充放电过程中伴随明显的颜色变化，实现了能量存储状态的视觉化监测。

该研究通过简单的GS电聚合方法，突破了PANI材料性能平衡的技术瓶颈。多孔纳米结构设计不仅提高了电荷传输效率，还通过增大界面面积同步优化了光学和电化学性能。这项工作为开发新一代智能窗、柔性显示器和自供电传感器提供了材料基础，其制备策略可拓展至其他导电聚合物体系。论文通讯作者Xuelian Wu指出，未来将通过掺杂和复合进一步优化器件循环寿命，推动EES技术的实际应用。