電致變色通常指，材料在受到電場(chǎng)的影響下發(fā)生顏色變化的現(xiàn)象。電致變色技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，包括智能窗戶、光學(xué)濾波片和電子顯示器等。

在智能窗戶中，它們可以通過調(diào)整其顏色，控制室內(nèi)外的光線進(jìn)入量以及溫度，從而實(shí)現(xiàn)能耗的優(yōu)化。在太陽(yáng)能電池板中，電致變色材料可以幫助太陽(yáng)能電池板更好地吸收陽(yáng)光，并提高太陽(yáng)能電池板的效率。在電子顯示器中，電致變色材料可以用來控制像素的顏色，從而實(shí)現(xiàn)高清晰度的圖像顯示。

最近幾年，隨著電致變色領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，電致變色器件的性能也顯著提升。但是，傳統(tǒng)的電致變色器件因其局限性，始終不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。例如，其不能調(diào)控單一電極的顏色、依賴外界電壓的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)顏色的轉(zhuǎn)換等。

圖 | 李海增（來源：）

基于此，山東大學(xué)教授課題組研發(fā)了一種具有雙重調(diào)節(jié)機(jī)制的“鋅”型電致變色器件。相較于傳統(tǒng)電致變色器件，“鋅”型電致變色器件最大的不同在于，可通過“自發(fā)”放電進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換。也正因?yàn)樵搩?yōu)勢(shì)，“鋅”型電致變色器件在著色過程中所使用的能量能回收其中的一部分。

雙重調(diào)節(jié)機(jī)制，意味著“鋅”型的電致變色器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙向色彩的調(diào)控。從應(yīng)用層面來看，該新型電致變色器件模型能用來開發(fā)多功能光學(xué)器件。

圖丨（a）雙模式電致變色器件工作原理；（b）鋅型電致變色器件能級(jí)圖；（c）雙模式電致變色器件能級(jí)圖（來源：Advanced Functional Materials）

審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)稱：“（作者們）打破了固定的器件模式。其所提出的搖椅型電致變色器件的機(jī)制相當(dāng)有趣，令人印象深刻?！辈⒄J(rèn)為，這款具有雙重調(diào)節(jié)機(jī)制的電致變色器件“將提供一個(gè)新的范例，可作為未來電致變色領(lǐng)域相關(guān)工作的起始點(diǎn)，是一個(gè)意義重大的研究”。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）

日前，相關(guān)論文以《一種融合“鋅”型與搖椅型的雙模式電致變色器件》（）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials 上 [1]。

山東大學(xué)博士后張梧是該論文第一作者，教授、加拿大阿爾伯塔大學(xué)阿卜杜勒哈基姆·厄萊扎比（）教授為論文的共同通訊作者。

（來源：Joule）

早在 2019 年，教授就提出了“鋅”型電致變色器件的概念 [2]。傳統(tǒng)電致變色器件中的離子儲(chǔ)存層，可以被額外一層電致變色層代替。在這種雙電致變色層的作用下，“鋅”型電致變色器件實(shí)現(xiàn)了 77% 的光學(xué)對(duì)比度調(diào)控，該數(shù)值為截至目前被報(bào)道的最大數(shù)值 [3]。

此外，通過顏色疊加作用，“鋅”型電致變色顯示器可用于構(gòu)建多彩顯示器 [4]，進(jìn)而發(fā)展出具有二維色彩空間調(diào)節(jié)機(jī)制的“鋅”型電致變色顯示器件 [5]。

（來源：Advanced Functional Materials）

另一方面，這種“鋅”型電致變色器件還能與光伏太陽(yáng)能板相結(jié)合 [6]。這種結(jié)合器件以自身內(nèi)部電壓實(shí)現(xiàn)褪色，再以太陽(yáng)板提供的電壓實(shí)現(xiàn)著色。因此，這一器件完全脫離外接電壓的需求，同時(shí)可為外部電路供電。

在“鋅”型電致變色器件中，由于“鋅”陽(yáng)極與電致變色材料間的電勢(shì)差，“鋅”型電致變色器件能表現(xiàn)出一種單向的自發(fā)著色機(jī)制，這是一種自發(fā)的放電過程。

（來源：Advanced Materials）

2022 年，教授提出，利用普魯士藍(lán)與氧化鎢之間的電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)電致變色器件自主褪色的想法。

在查閱相關(guān)資料后他發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整電解液，普魯士藍(lán)與氧化鎢之間的電勢(shì)差發(fā)生了變化。為實(shí)現(xiàn)最好的電致變色性能，在通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)將結(jié)果比較后，研究人員確定了電解液的參數(shù)設(shè)置。

結(jié)合電池領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，教授團(tuán)隊(duì)將這一全新的，利用工作電極和對(duì)電極的能級(jí)差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變色的器件命名為“搖椅型電致變色器件”。

（來源：Advanced Functional Materials）

在不斷通過測(cè)試驗(yàn)證猜想的過程中，該課題組對(duì)能級(jí)差機(jī)理的理解越來越深刻。在反復(fù)幾次將猜想推翻和重新建立后，構(gòu)建了雙模式電致變色器件的機(jī)理，確定了具有雙重自發(fā)著色功能的可逆電致變色器件，進(jìn)一步提高了器件的可操作性與靈活性。

目前，課題組在繼續(xù)對(duì)“鋅”型以及搖椅型電致變色器件進(jìn)行相關(guān)研究，他們相信這一有趣的器件構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)更多、更新穎的效果。例如，用其他的電致變色材料替換該研究中使用的普魯士藍(lán)和氧化鎢，有望發(fā)展出多種自變色的電致變色器件。

此外，在實(shí)際的應(yīng)用中，提高器件的循環(huán)穩(wěn)定是必須克服的難點(diǎn)之一，需要進(jìn)一步對(duì)器件與材料的研究。因此，課題組成員未來將在該方向進(jìn)行重點(diǎn)研究。

參考資料：

1.Zhang, W.; Li, H.; Elezzabi, A. Y.“A dual-mode electrochromic platform integrating zinc anode-based and rocking-chair electrochromic devices.”Advanced Functional Materials, 2300155 (2023). https://doi.org/10.1002/adfm.202300155

2.Li, H. Z., McRae, L., Firby, C. J. & Elezzabi, A. Y. Rechargeable aqueous electrochromic batteries utilizing Ti substituted tungsten molybdenum oxide based Zn2+ ion intercalation cathodes. Advanced Materials 31, 1807065 (2019). https://doi.org/10.1002/adma.201807065

3.Li, H. Z., Firby, C. J. & Elezzabi, A. Y. Rechargeable aqueous hybrid Zn2+/Al3+ electrochromic batteries. Joule 3, 2268-2278 (2019). https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.021

4.Zhang, W.; Li, H.; Yu, W. W.; Elezzabi, A. Y.“Transparent inorganic multicolor displays enabled by zinc-based electrochromic devices.”Light: Science & Applications 9, 121 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-00366-9

5.Zhang, W.; Li, H.; Elezzabi, A. Y.“Electrochromic displays having two-dimensional CIE color space tunability.”Advanced Functional Materials 32, 202108341 (2022). https://doi.org/10.1002/adfm.202108341

6.Li, H.; Zhang, W.; Elezzabi, A. Y.“Transparent zinc-mesh electrodes for solar-charging electrochromic windows.”Advanced Materials 32, 2003574 (2020). https://doi.org/10.1002/adma.202003574