基于阴阳离子共插层策略的多波段调控电致变色智能窗研究

为解决传统电致变色器件(ECD)仅依赖阳离子调控导致光谱调制受限的问题，研究人员创新性地开发了Nb18W16O93/PB(普鲁士蓝)互补体系，通过XPS首次证实Cl-阴离子插层诱导的PB→PG(普鲁士绿)转变机制，实现了可见光/近红外四态调控(透光率70.1%)和6000次循环稳定性，为下一代智能窗设计提供了新范式。

　　

在全球建筑能耗占比高达39%的背景下，传统窗户无法动态调节太阳光谱的特性成为能源浪费的重要源头。虽然基于阳离子(如Li⁺、Na⁺)插层的电致变色器件(ECD)已取得进展，但单一离子调控机制严重限制了光谱调制范围和使用寿命。特别是普鲁士蓝(PB)在电化学过程中呈现的多色变化机制长期存在争议，这阻碍了高性能互补型ECD的开发。

南方科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地提出阴阳离子共插层策略。通过将Nb₁₈W₁₆O₉₃薄膜与PB组成互补电极，采用KCl/聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶电解质，首次实现K⁺和Cl^-的协同调控。研究运用X射线光电子能谱(XPS)深度剖析技术，结合原位光谱测试和晶体结构分析，系统揭示了离子插层机制与器件性能的构效关系。

关键技术方法包括：水热法制备Nb₁₈W₁₆O₉₃薄膜，电沉积制备PB薄膜，构建三明治结构器件；采用XPS深度剖析验证离子插层路径；通过原位紫外-可见光谱监测光学调制过程；利用X射线衍射(XRD)分析晶体结构演变；采用循环伏安法评估电荷存储能力。

阴阳离子共插层ECD的多波段调控

器件通过施加±1.5V至±2.4V偏压，实现四态转换：初始态(亮蓝)、透明态(T_vis=70.1%)、深蓝态和绿态。XPS证实K⁺插入PB形成普鲁士白(PW)，而Cl^-插入则诱导PB→PG→PY(普鲁士黄)转变。Nb₁₈W₁₆O₉₃仅允许K⁺在其四边形/五边形隧道(直径1.49-1.62?)中扩散，实现快速响应(1.0s着色)。

普鲁士蓝的离子插层机制

XPS结合XRD分析揭示：K⁺插入导致PB晶格膨胀9.5%，伴随Fe³⁺→Fe²⁺还原(式1)；Cl^-插入则与低自旋Fe³⁺配位，引起3.3%晶格膨胀(式2-3)。拉曼光谱显示C≡N键振动变化验证了配位环境改变，电荷计算表明每分子PB可存储4K⁺和3Cl^-。

电荷平衡设计与性能优化

Nb₁₈W₁₆O₉₃的电荷容量(14.5 mC cm^-2)与PB的Cl^-存储需求(5.11 mC cm^-2)精确匹配，使器件在6000次循环后仍保持93%光学调制。四态间的太阳能辐射阻隔率差异显著：绿态在400-550nm阻隔79.2%，深蓝态在780-1400nm阻隔90.4%。

该研究通过实验证实阴阳离子共插层机制，解决了传统ECD光谱调制单一和电荷失衡的难题。Nb₁₈W₁₆O₉₃/PB体系展现出11%的体积变化率和152.2 cm²C^-1的着色效率，为智能窗在建筑节能领域的应用提供了新思路。特别是四态光学记忆效应(绿态持续12小时)和温度调控能力(温差达4.2℃)，展现出实际应用潜力。这项研究不仅深化了对电致变色材料离子存储机制的理解，更为开发下一代多波段调控智能窗奠定了科学基础。