近日，中国海洋大学材料科学与工程学院陈经纬副教授课题组在新型建筑节能用新型光热调控电致变色智能窗领域取得新进展，相关成果分别发表于国际知名学术期刊Nature Communications（《自然·通讯》）和ACS Energy Letters（《美国化学学会能源快报》），并在期刊Nature Reviews Clean Technology（《自然综述·清洁技术》）发表综述论文。

现代建筑能耗约占全球总能耗的40%，而窗户承担了大量建筑内外光热交换，能效极低。动态光热调控智能窗技术，有望实现建筑节能。在各类智能窗中，基于可逆金属电沉积（RME）机制的电致变色智能窗具有结构简单、中性着色可宽带光谱调控等优势，但其电极/电解液界面稳定性不足，对器件的沉积/剥离动力学和化学/电化学稳定性造成了一定影响，并对器件的耐候性和规模化制备等方面带来了挑战。研发兼具快速、优异、生物兼容性及环境友好性的电解质，是该技术走向实际应用的关键瓶颈。

图1. 准固态铜锌双金属可逆电沉积智能窗工作机制与光热调控示意图

针对这些挑战，近日，课题组联合中国海洋大学王焕磊教授、新加坡南洋理工大学Lee Pooi See院士研究团队设计了一种由Cu/Zn双金属盐和聚丙烯酰胺网络构成的准固态水凝胶电解质，并通过优化电解质中铜锌比例和pH值，实现了高度可逆的CuZn沉积/剥离过程。该器件获得了78%的透光率调制幅度、超过3000次的长循环稳定性（光学调制保持率＞90%），以及快速的着色/褪色切换速度。此外，水凝胶电解质有效抑制了水分子间强氢键的形成，有效提升了器件的抗冻性（-20℃），并在可回收准固态智能窗中实现了防泄漏、长记忆效应、可团案化和高效的隔热性能，在全球不同温区可以实现18%至33%的节能效果，展现出成本效益与耐用性。相关论文以“Recyclable quasi-solid-state dynamic windows via reversible dual-metal electrodeposition for building energy modulation”（面向建筑能效调控的可逆双金属电沉积型可回收准固态动态智能窗）为题发表于《自然·通讯》，第一作者为材料科学与工程学院2023级海洋材料科学与工程专业博士研究生徐兵，中国海洋大学为第一通讯单位。

图2. CuZn合金梯度可逆电沉积工作模式及沉积效果示意图

课题组前期也开发了一种基于铜锌合金梯度可逆电沉积（CuZn-RAE）的智能窗技术，利用铜离子较高的电化学还原电势和优异的亲锌性，在铜锌电解液中实现了铜优先形核引导后续锌沉积的梯度沉积机制，有效降低了沉积活化能（19.2 kJ mol-1），实现了均匀的纳米球状沉积、82%的高光学调制范围和中性着色特性，显著提升了智能窗的响应速度、稳定性（1400次循环后透光调制保持率＞92%）和光热调控性能。相关论文以“Color-Neutral Smart Window Enabled by Gradient Reversible Alloy Deposition”（梯度可逆合金沉积赋能中性着色智能窗）为题发表于（《美国化学学会能源快报》），该论文的第一作者是材料科学与工程学院2022级材料工程专业硕士研究生张赢心，中国海洋大学为第一通讯单位。

图3. 电致变色智能窗户的光热调节机制

基于在光热调控电致变色智能窗领域的持续研究积累，课题组联合山东大学和加拿大阿尔伯塔大学等研究团队，全面讨论了无机电致变色智能窗（ESW）的工作模式、组装工艺和实施方法。该合作论文详细探讨了ESW能效、材料选择、电化学过程和光热调控性质之间的联系，指出在无机ESW中采用双波段调控与可逆金属沉积技术的优势，并强调了提高成本效益、规模化生产和长期耐久性等方面的重要性。相关综述论文以“Inorganic electrochromic smart windows for advancing building energy efficiency”（面向建筑能效提升的无机电致变色智能窗）为题发表于《自然综述·清洁技术》，中国海洋大学为通讯单位。

团队合影（第一排左三为陈经纬副教授）

上述工作得到了国家自然科学基金、山东优秀青年科学家基金项目（海外）以及中国海洋大学青年英才启动经费等多个项目资助。陈经纬是中国海洋大学青年英才（二）副教授，主要研究高效电化学储能/节能材料及器件，包括电极/溶液界面质荷传输动力学调控，电致变色材料及器件光热调控机制和多功能电致变色电池材料及器件等方向。以第一/通讯作者在Nature Communications, Nature Reviews Clean Technology, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie, ACS Energy Letters, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等期刊发表SCI论文40余篇。