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清華大學楊誠最新Nature子刊:一種無傳統電極結構設計的電致變色智能窗

清華大學楊誠最新Nature子刊:一種無傳統電極結構設計的電致變色智能窗
研究背景
電致變色(Electrochromic, EC)器件作為一種新興的節能和調光技術,展示了動態調節光和熱透射率的能力,是未來智能建筑、智能汽車天窗以及智能可穿戴設備的重要技術組成。然而,傳統的EC器件的商業化面臨著諸如高成本、復雜的制造工藝以及依賴離子嵌入/脫出機制的傳統EC材料固有的低光學對比度等障礙的挑戰。
研究內容
近日,清華大學深圳國際研究生院材料研究院楊誠副教授團隊開發出一種無電極的電致變色器件(EECD)。該器件在組裝過程中和漂白狀態下不包含EC層,僅由兩個透明導電基底和水系電解質組成。它采用了一種全新的雙沉積溶解電致變色體系,通過陽極Cu/Cu2+和陰極MnO2/Mn2+的同時沉積和溶解來實現均勻變色,從而免除了復雜的電致變色層制備步驟。這種極簡設計不僅簡化了制造過程,還展示了優異的電致變色性能,對大規模生產尤其有利。
該研究成果以“Electrochromic windows with fast response and wide dynamic range for visible-light modulation without traditional electrodes”為題發表在《自然·通訊》(Nature Communications)上,清華大學深圳國際研究生院碩士生賈卓飛、隋一明、錢龍為本文共同第一作者。其他作者包括任汐、趙云翔、姚銳、以及晁棟梁教授(復旦大學),清華大學深圳國際研究生院楊誠副教授為文章的通訊作者。
圖文導讀
清華大學楊誠最新Nature子刊:一種無傳統電極結構設計的電致變色智能窗
圖1 “無電極”電致變色器件(EECD)的原理結構和工作機理
清華大學楊誠最新Nature子刊:一種無傳統電極結構設計的電致變色智能窗
圖2 MnO2/Mn2+沉積/溶解反應的電致變色性能研究
清華大學楊誠最新Nature子刊:一種無傳統電極結構設計的電致變色智能窗
圖3 在FTO電極上的MnO2/Mn2+沉積/溶解多過程反應的機理研究
清華大學楊誠最新Nature子刊:一種無傳統電極結構設計的電致變色智能窗
圖4 “無電極”電致變色器件的電致變色性能測試
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圖5 “無電極”電致變色器件(EECD)的可擴展性研究
研究結論
綜上所述,研究團隊提出了具有雙沉積/溶解機制的“無電極”EC窗口的新概念,其變色功能由陰極和陽極上相應的固液轉換反應實現,例如該研究所展示的通過陰極MnO2/Mn2+和陽極Cu2+/Cu的沉積/溶解反應的動態調節機制。著色狀態下得益于MnO2和Cu互補的光屏蔽效果,EECD實現了85%的高光學對比度,并在可見光波段實現0.01%的透過率。此外,EECD可以穩定循環10000次后無明顯的性能衰退。作為電致變色的新概念,這為種類繁多的基于沉積/溶解反應的電極材料應用于電致變色器件提供了首次例證。
文獻信息
Zhuofei Jia, Yiming Sui, Long Qian, Xi Ren, Yunxiang Zhao, Rui Yao, Lumeng Wang, Dongliang Chao, Cheng Yang. Electrochromic windows with fast response and wide dynamic range for visible-light modulation without traditional electrodes, Nature Communications, 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-50542-3
團隊介紹
清華大學楊誠最新Nature子刊:一種無傳統電極結構設計的電致變色智能窗
楊誠,清華大學深圳國際研究生院材料研究院長聘副教授,科技部某高端專家引進計劃獲得者、廣東省本土創新團隊核心成員、深圳市蓋姆石墨烯中心核心成員。曾獲日內瓦國際發明獎(金獎)、中國發明創新獎金獎(一等獎二次)、中國百篇最具影響國際學術論文,廣東省材料研究學會青年科技獎、廣東省杰出青年科學基金等榮譽,承擔國家基金委國際(地區)合作重點項目、面上項目、廣東省重大科技專項等項目,并有多項成果實現轉化并產生顯著經濟效益。楊誠老師研究團隊在新型能源器件的制備及原理研究、金屬微納結構的形態調控與應用等方向取得多項重要進展,近年指導學生在Chem. Rev., Nat. Commun., JACS, Angew, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等雜志發表多篇高質量學術論文,并獲得50余項發明專利授權。

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