黑色至透明的电致变色被誉为有机光电子学的圣杯，尽管潜力巨大，但设计出能完全吸收可见光的黑色电致变色材料仍是一项重大挑战，同时具有出色的循环稳定性、快速响应时间和高着色效率的电活性材料并不多见。
2024年9月30日，西北工业大学黄维院士、北京大学深圳研究生院孟鸿教授团队合作在Nature Communications期刊发表题为“High-Performance Black Copolymers Enabling Full Spectrum Control in Electrochromic Devices”的研究论文，西北工业大学陈定辉为论文第一作者，孟鸿教授为论文通讯作者。西北工业大学为第一单位。
该研究通过合理选择四种单体，成功设计了能够完全吸收整个可见光谱的共聚物。通过加入两种极性侧链来协同增强共聚物的离子电导率，从而提高了电致变色器件（ECDs）的性能。在这些电致变色器件中，P2-a器件的循环稳定性超过了105次，P2-c器件的着色/褪色时间为0.82秒/0.86秒，着色效率达到了1078 cm²/C。该研究提出了一种设计和合成高性能黑色电致变色（EC）共聚物的策略。为了解决可见光光谱吸收不足的问题，研究人员创新性地引入了螺芴，并在ProDOT单元上接枝了富电子基团（醚链），而不是使用传统的烷基取代芴单体单元。该方法使得能够通过四元共聚合成出具有宽吸收范围的共聚物。通过精心优化合成条件并策略性地调整ProDOT和螺芴单体的浓度，成功合成了具有最佳光学和电化学特性的黑色共聚物。在共聚物的开发过程中，巧妙地利用了三基色设计原理，从而获得了具有出色色彩饱和度和稳定性的黑色EC材料。最后，将酯和三甘醇（TEG）侧链加入共聚物中，通过协同效应增强其离子电导率，这对综合EC性能至关重要。该研究提出了一种设计高性能黑色EC共聚物的策略，为共EC技术的进步做出了重大贡献。
图1 共聚物的紫外可见光谱和能级
图2 ECDs的结构和性能
图3 ECDs的照片和CV曲线
该工作是团队在电致变色材料和器件制备方面的最新进展。研究中开发的黑色电致变色材料在汽车全景天窗中的应用前景尤其令人期待。随着全球对节能和环保的要求不断提升，智能天窗等技术已成为建筑节能的重要方向之一。总之，该研究证明了在随机直接C-H芳基化聚合过程中，通过简单调整不同单体类型的进料比，可以精确控制共聚物的吸收光谱。通过精心优化合成条件和四种单体的进料比，初步确定了在可见光区域合成全吸收共聚物的进料比：F = 0.25当量，P = 0.5当量，B = 0.25当量。总之，该研究代表了高性能黑色EC材料设计的重大进展，并为包括有机光伏和传感器技术在内的各种应用提供了解决方案。该研究开发的策略和方法为进一步推动EC材料及其多样化应用领域的发奠定了基础。
通讯作者简介：
孟鸿，北京大学深圳研究生院教授，国家级人才。专注于有机电致发光（OLED）材料与器件制备工艺、有机电致变色材料器件及超级电容器、有机薄膜晶体管（OTFT）材料器件及有机光电传感（OPD）、柔性可拉伸电子材料器件、钙钛矿/量子点及能源相关材料器件等研究。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52430-2
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