电致变色智能窗是能够在外加电压下实现透过率的可逆变化，进而有效控制室内温度和降低空调能耗。这种技术不仅能够提高室内舒适度，还有助于减少能源消耗。在当今全球对可持续发展和节能减排的重视下，电致变色智能窗的市场需求日益增长，已成为智能建筑设计中的重要组成部分。然而，传统电致变色薄膜制备方法在规模化生产方面仍面临诸多挑战。特别是在大面积电致变色智能窗制备中，如何兼顾材料的稳定性与实现低成本制造至关重要。因此，开发新型制备方法对推动电致变色智能窗商业化进程具有重要意义。
近日，贵州大学郑荣宗教授和电子科技大学贾春阳教授带领研究团队通过TAIG (Two-dimensional-material Assisted In-situ Growth)二维材料辅助原位生长法实现了大面积、高性能氧化钨基电致变色智能窗的制备。相关工作以标题“Bridging to Commercialization: Record-Breaking of Ultra-Large and Superior Cyclic Stability Tungsten Oxide Electrochromic Smart Window”发表在《Advanced Materials》。黑磷 (Black Phosphorus, BP)作为一种具备独特的物理化学性质的二维材料，近年来备受关注。尽管其易在水氧环境中分解，使得研究人员需专注于钝化等手段来延缓其分解，但该研究团队巧妙利用了黑磷的不稳定性，通过简单且低能耗的操作，成功制备了高性能、大面积电致变色WO3-x·H2O薄膜，极大程度上满足了智能窗在商业化生产中的经济性和耐用性要求。研究表明，不同的黑磷浓度能够有效调节WO3-x·H2O薄膜中结构水和氧空位的含量，随着黑磷浓度的提高，WO3-x·H2O薄膜中结构水含量逐渐下降，而氧空位浓度逐渐上升。此外，通过理论计算以及一系列材料表征，研究团队充分阐明了WO3-x·H2O薄膜的生长机理及特征。(a)WO3-x·H2O 薄膜的生长机理示意图。 (b) PO43-和WO3,(c)BP与WO3差分电荷密度图。不同WO3-x·H2O薄膜的XPS特征谱(d) O1s光谱和(f)W4f光谱。(e)不同WO3-x·H2O薄膜的傅立叶变换红外光谱和(g) Tauc图。首先，作者对不同浓度下制备的WO3-x·H2O 薄膜进行了电化学性能的测试。结果显示，适量浓度的结构水和氧空位的BP5.0-WO3薄膜的电化学过程展现出更小的电荷转移电阻和更大的电容行为占比，其离子扩散系数是其他样品的两倍以上，达到了1.7310-10 cm2/s。其中，BP7.5-WO3薄膜的离子扩散系数随着空位浓度上升却发生下降，表明过高的空位浓度导致了薄膜中晶格畸变的增加，从而提高了离子扩散的势垒。值得注意的是，利用黑磷制备的WO3-x·H2O薄膜中的结构水和氧空位含量有着“此消彼长”的特点，作者指出了均衡薄膜中结构水空位含量是调控WO3-x·H2O薄膜性能的关键问题。(a)扫描速率为50 mV/s时 BP2.5-WO3、BP5.0- WO3、BP7.5- WO3 的CV曲线。(b)~(d)不同扫描速率下BP2.5- WO3、BP5.0- WO3和BP7.5- WO3的CV曲线。不同WO3-x·H2O薄膜的(e) log v与log i之间的关系, (f)不同扫描速率下电容行为的百分比变化, (g)峰值电流密度与扫描速率平方根之间的关系, (h)扩散系数以及(i) Nyquist图。作者接着对其电致变色性能进行了更加深入的探讨。BP5.0-WO3薄膜尽管在电化学性能上表现出色，但其电致变色性能在光学调制率、着色效率和响应时间方面并未显著优于其他样品。然而，进一步的测试显示BP5.0-WO3薄膜展现出卓越的循环稳定性，在经过20000圈的循环后仅衰减了5%。尽管BP7.5-WO3薄膜也展现出了良好的稳定性，但其光学调制能力显著降低，这再次强调了均衡薄膜中结构水和氧空位浓度的对优化WO3-x·H2O薄膜性能的重要性。(a)不同WO3-x·H2O薄膜在-0.8V和1.0 V电压下的透过率曲线、(b)着色效率和(c)响应时间。(d) BP2.5-WO3、(e) BP5.0-WO3和 (f) BP7.5-WO3的透过率随循环圈数变化曲线，交替施加-0.8 V/10 s和1 V/10 s电压。(a)电致变色器件的结构示意图。(b)基于BP5.0-WO3薄膜的电致变色期间的透过率与波长的关系和 (c)透过率随循环次数的变化。(d)不同报道中的大面积氧化钨电致变色智能窗的雷达图比较。(e)电致变色智能窗的控制电路及其照片。(f)电致变色智能窗的主要应用场景及其智能控制演示。(g)大面积电致变色智能窗在-1.2V (着色) 和2.4V (褪色) 电压下的照片。此外，研究团队还对基于WO3-x·H2O的电致变色器件性能进行了全面的讨论。采用不同电解质层的WO3-x·H2O基器件都表现出优异的循环稳定性(液态电解质循环20000圈无衰减，全固态器件稳定循环3500圈)。团队还设计制造了一套智能控制系统，通过手机App远程控制智能窗以应对实际应用中不同场景。并且，在实验室中极其简便的条件下实现了大面积电致变色器件(100×60 cm2)的制备。因此，凭借优异的稳定性与超大尺寸，该研究极有可能推动电致变色智能窗的市场普及。研究团队针对目前传统电致变色薄膜制备方法的局限，通过TAIG法低成本地制备出高性能、大面积电致变色氧化钨薄膜及智能窗，并深入研究了薄膜生长及增效机理。这一研究成果为电致变色材料的商业化应用带来了新的机遇，也是电致变色智能窗商业化进程的重要进展。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
