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太阳能热量可调控？中科院士团队Nano Lett发表最先成果

2021.12.14

　　电致变色器件在节能建筑、低功耗显示器、防眩后视镜等领域具广泛应用前景，并得到了广泛的关注和研究。然而，目前报道的电致变色器件大多需要外电源系统来驱动工作，影响了器件的独立性和便携性。为了解决这一问题，最近有报道将太阳能电池或纳米发电机与电致变色系统集成在一起，用于制造自供电的电致变色器件。但是这种装置需要复杂的系统联合，不利于实际生产使用，因此制备具有柔性和机械稳定性的宏观尺度自供电电致变色器件还有很长的路要走。

　　近日，中国科学技术大学俞书宏院士（点击查看介绍）、刘建伟教授（点击查看介绍）团队受原电池概念的启发，并结合其前期工作基础，提出了一种简单而又高效的策略，将原电池系统集成到基于高度稳定和柔性的 Ag 纳米线（NWs）透明导电电极（TCE）和W18O49纳米线电致变色薄膜中来，从而构建一种宏观尺度下的自供电柔性电致变色装置。

　　图1展示了这种Ag NWs透明导电电极的制备过程，首先将Ag NWs和密胺树脂（MFR）的混合物一步喷涂在柔性聚碳酸酯（PC）薄膜上，得到柔性透明电极，并表现出优异的耐摩擦性、粘结性和抗溶剂性能。这种Ag NWs TCE 不仅起到导电层的作用，而且还用作原电池系统中的工作电极，为电致变色器件的着色/褪色产生足够的电压差。柔性铝箔作为原电池系统中的负极，提供的开路电压为0.83 V，足以驱动W18O49的着色。

　　图2展示了这种自供电的电致变色薄膜的工作原理，变色过程中透过率的变化和所需转换时间。当外电路接通时，Al片立即被氧化为Al3+，电解液中的Al3+与外电路的电子插入W18O49晶格，导致Ag/W18O49薄膜的颜色发生变化。仅需14 s，薄膜的透过率即可由81%下降至41%。当电极断开时，Al3+从W18O49晶格脱嵌到溶液中，在700s内褪色完成，比普鲁士蓝/Al体系 (12 h) 快得多。而将薄膜与Pt (300 s)或碳布 (250 s) 相连，可进一步加速褪色过程。此外通过对薄膜的封装，可以制造出大尺寸（20 × 20 cm2）的便携式柔性自供电电致变色装置，即使处于弯曲状态下，也能正常工作。

　　进一步，作者对比了Ag/W18O49电致变色薄膜在外接电源和自供电两种模式中的性能差异。对于同一薄膜，相较于外部供电模式，自供电模式下的装置在632.5 nm波长处的透过率变化增加了7-9%。作为衡量电致变色器件性能的重要参数的着色率也相应有所提高，这主要是由于避免了外部电源内阻的电能消耗，自供电装置的着色效率比外部供电模式提高了约20%。

　　为了研究薄膜的循环稳定性，作者将电致变色膜与 Pt 线连接后，通过施加 0.2 V 的外部电压来加速褪色过程。图3显示，经历450 次，总计 27,000 s 的变色循环，薄膜展现了优异的稳定性。通过对比前十个循环和最后十个循环，保留了初始光调制值 (ΔT = 41%) 的80% (ΔT = 33%)。同时铝片的消耗量也是该装置能否实际应用的一个重要参数。浸入电解液中的铝片经过 450 次变色循环后，从可以反射光的光滑状态变成粗糙的白色。在450 次开关循环期间三个平行装置中的铝片的消耗分别为30 mg、27 mg和35 mg。循环测试中电致变色膜的活性面积固定为1.5×3 cm2，可以得出450次变色循环后，Al片平均消耗量为6.8 mg/cm2，所需成本仅为0.19美元（2.82 美元/公斤）。

　　最后，作者测试了这种自供电的电致变色装置阻隔光照辐射的性能。图4展示了在持续光照下，电致变色装置后面黑纸的温度变化。从红外图像中可以看出，与褪色状态下薄膜相比，着色状态下的薄膜后面的黑纸温度分布要低得多。在褪色状态下，黑纸的平均温度（T1）和最高温度（T2）迅速增加到34.5 ℃ 和 54 ℃。而在连接铝片和电致变色膜电极后的变色状态下，黑纸的平均温度（T1）和最高温度（T2）最终稳定在25.6 ℃和33 ℃，远低于褪色状态下的数值。该结果表明这种自供电电致变色装置是制造智能窗户的理想选择，可以通过控制太阳能热量和照明输入量来调节建筑物的温度和光线条件。