清华大学张如范课题组《Adv. Opt. Mater.》:离子嵌入脱出型的电致变色材料

随着科技的迅速发展，能源的需求与消耗与日剧增，如何环保、高效地使用能源已成为当今的研究热点。建筑作为与工业、交通并列的三大能源消耗部门之一，其能耗约占社会总能耗的40%。建筑能耗主要用于取暖、降温、通风、电器和照明，其中约30%-50%的能量是通过窗户流失的。因此，如何设计成具有调节、控制能量功能的玻璃吸引了越来越多研究者的关注。电致变色智能窗是一种绿色节能产品，旨在将电致变色材料与玻璃结合，利用材料的电致变色性能来人工动态调节太阳全谱的光强度，从而实现人为调控遮阳系数和传热系数，以降低在取暖、降温和照明等方面的能耗，研究意义非常重大。然而，电致变色材料仍存在着变色速度慢、稳定差等问题。电解质离子在电致变色材料中传输速度决定了整个电致变色器件的响应时间，而电解质离子嵌入电致变色材料的深度与总量影响着电致变色器件的颜色对比度、着色效率、稳定性等重要参数。因此，选择适合电致变色材料的电解质离子是获得高性能电致变色器件的关键。

基于此，清华大学化工系张如范课题组与北京科技大学贾希来课题组在《Advanced Optical Materials》期刊上发表了题为“Electrochromic Materials Based on Ions Insertion and Extraction”的综述（DOI: 10.1002/adom.202101783）。这篇综述首次从电解质离子角度来讨论不同的电解质离子与电致变色材料之间的匹配关系，并展望了下一代电致变色材料的发展。首先，作者系统地介绍了电致变色原理、影响电致变色性能的参数以及电致变色材料存在的问题。随后，作者总结了近十年不同离子基电致变色材料的研究进展，作者们根据电解质离子的不同，将离子基电致变色材料分为单价金属离子基电致变色材料(LiECMs, NaECMs, KECMs)，多价金属离子基电致变色材料(ZnECMs, MgECMs, CaECMs, AlECMs)和非金属离子基电致变色材料(HECMs, OHECMs)。系统性阐述了电解质离子与电致变色材料的关系，并总结了不同离子基电致变色材料的优缺点。最后，作者对下一代离子基电致变色材料的设计策略进行了展望。该综述的第一作者为北京科技大学硕士生黄娅和清华大学博士后王宝顺，通讯作者为北京科技大学贾希来副教授和清华大学化工系张如范副教授。

图1. 电致变色技术的应用领域

图2. 电致变色器件的分类、原理以及发展状况

图3. 电致变色材料存在的问题以及高性能离子基电致变色材料的设计策略

图4. 比较不同离子的性质。

图5. 典型的离子基电致变色材料的发展趋势。

Ya Huang, Baoshun Wang, Fengxiang Chen, Ying Han, Wenshuo Zhang, Xueke Wu, Run Li, Qinyuan Jiang, Xilai Jia, Rufan Zhang, Electrochromic Materials Based on Ions Insertion and Extraction, Advanced Optical Materials, 2021, https://doi.org/10.1002/adom.202101783

通讯作者介绍：

张如范 清华大学化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员、中国化工学会专业会员、北京能源与环境学会京津冀专家委员会委员、SusMat青年编委、PARTICUOLOGY青年编委。2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系，2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，取得多项突破性科研成果。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Small Methods等期刊发表论文76篇。申请发明专利12项；撰写学术专著7部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）、教育部博士研究生学术新人奖（2012）等奖励。

课题组网站链接：http://www.rufanzhang-group.cn

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adom.202101783