近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授温瑞涛团队在可双波段调控的电致变色材料研究方面取得新进展，相关研究成果以“TT-Nb₂O₅ with dual-band modulation and exceptional performance retention for fast-responsive electrochromics”为题发表在综合类国际期刊 National Science Review 上。

如何高效管理照明和能耗一直是备受关注的难题。太阳光谱中，可见光和近红外光的透过率动态可逆调控至关重要。传统的电致变色器件存在诸多不足，比如，无法实现可见光和近红外光的独立调节、响应速度迟缓、长期使用出现性能衰退等问题。

图1 TT-Nb₂O₅薄膜的双波段调控特性示意图

本文中的 TT-Nb₂O₅ 就像电致变色材料界的 “六边形战士”，为解决上述这些难题提供了思路。该材料可实现可见光与近红外光的独立调控，提供明亮模式（高透光）、冷模式（阻隔红外）和暗态模式（全阻隔）三种工作状态。它具有超快响应速度：得益于其独特的二维层状结构，开关动力学性能优异。TT-Nb₂O₅ 的二维层状结构由致密和疏松的原子层交替排列构成，形成了易于离子快速传输的低阻力通道。同时，TT-Nb₂O₅ 晶体结构中非等效的离子有效结合位点为双波段调控提供了可能。此外，晶体结构中沿b轴空的传输通道以及较大的层间距促就了离子注入/抽出过程中无体积膨胀、无相变、从而超过104次循环后并未观察到光调制的退化。

团队深入研究发现 TT-Nb₂O₅ 的双波段调制机理区别于传统双波段电致变色材料基于局域等离子体共振效应和极化子跃迁吸收机制的结合。具体体现在该结构中4h层上非等效的氧位点，随着离子插入，Li_xNb₂O₅ 中当x=0.3时，锂离子与 O_3c 配位选择性吸收近红外光，当x增至0.77时，与 O_2c 结合吸收可见光，从而实现对不同波段光的精准调控。

图2 TT-Nb₂O₅的快速响应动力学和循环稳定性

科研团队构筑的基于 TT-Nb₂O₅ 制备的智能窗原型器件展现出优异的节能潜力：在不影响可见光透过率的“冷模式”下，可实现160 GJ的“制冷”节能。在全阻隔的“暗态模式”下，节能效果高达225 GJ。模拟计算表明，该技术在炎热气候地区的中型办公楼应用中，可为暖通空调系统带来显著的节能效益。

图3 智能窗全球节能减排潜力评估

TT-Nb₂O₅ 实现双波段调制无需依赖于纳米晶，在连续的薄膜中亦可实现。离子插入不仅使费米能级上升、也使Nb 3d导带分裂下移。x为 0.3 时离子与 O_3c 配位导致近红外光吸收，而x增至 0.77时与 O_2c 结合实现可见光吸收。其二维层状结构使得超 10000 次循环测试无体积膨胀、无相变和无性能衰减。基于此制备的电致变色智能窗模拟显示，当用于典型中型办公楼，在不影响可见光透过率时暖通空调系统最多节能 160GJ，全阻挡可见和近红外光时节能达 225GJ，有望推动电致变色领域发展，为节能提供新方案。

南方科技大学为论文第一单位，温瑞涛为通讯作者，黄庆姣博士为第一作者。南方科技大学硕士生侯明敖、副教授罗光富完成了 DFT 计算，硕士生雷一涵、副教授黎长建在高分辨电镜方面提供了技术支持。该研究工作得到了国家自然科学基金、粤港澳微纳米制造技术联合实验室项目、广东省科技厅重点实验室项目、南方科技大学高水平专项基金项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf154

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

编辑：曾昱雯