北京工業大學張倩倩教授：用于主動光熱調制且兼容任意表面的高性能電致變色織物

用于主動光熱調制且兼容任意表面的高性能電致變色織物

題目：Robust Electrochromic Fabrics Compatible With Arbitrary Surface for Active Optical and Thermal Modulations

作者：Yuhao Wang, Wanzhong Li, Hui Gong, Ang Li, Mingyu Ding, Jingbing Liu, Zilong Zheng, Hao Wang, Qianqian Zhang

DOI:10.1002/cnl2.70090

鏈接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70090

第一作者：王雨豪、李萬忠、龔輝

通訊作者：劉晶冰、汪浩、張倩倩

單位：北京工業大學

研究背景

隨著智能可穿戴電子設備的快速發展，織物和服裝對兼容性、柔性、可調光熱管理的需求日益增長。電致變色（EC）技術有望實現從可見光到紅外（IR）區域的寬帶光調制，柔性電致變色織物因具備多樣的透射率、反射率或紅外發射率，在軍事偽裝和熱控制領域展現出巨大應用前景。

然而，柔性電致變色織物的核心組件之間缺乏兼容性，仍是制約其應用的關鍵挑戰：傳統多層結構電致變色織物因功能層間附著力差，彎曲或扭轉時易發生結構分層，導致顏色效率和光調制性能大幅下降；同時，變形條件下的多界面接觸不良，使得功能層間的兼容性隨時間快速衰減。盡管已有研究通過一體化設計提升了柔性，但紅外波段調制能力不足，限制了其在動態偽裝領域的應用。因此，優化電致變色織物的結構設計并深入分析光調制機理，對提升其光熱調制能力至關重要。

成果介紹

北京工業大學張倩倩教授團隊開發了一種高度集成的一體化電致變色織物（AECF）。該織物將電致變色器件的所有核心組件（雙波段電致變色聚苯胺（PANI）、Au集流體和凝膠電解質）全部集成到單塊尼龍織物基質中，而非采用離散的堆疊層結構。

得益于高度集成的構型，AECF具有82.0μm的超薄厚度和優異的柔性，可裁剪成任意形狀并良好貼合任意表面，有效解決了傳統非拉伸電致變色織物的適用性問題。基于PANI電致變色層的光調制特性，AECF實現了金黃色與深綠色之間的可逆顏色切換，同時具備可見光和紅外反射調制能力。結合其出色的貼合性和主動光熱調制性能，團隊將AECF進一步開發為環境自適應偽裝原型系統，與模型車集成后可快速與動態環境背景實現顏色融合。該成果以“Robust Electrochromic Fabrics Compatible With Arbitrary Surface for Active Optical and Thermal Modulations” 為題發表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮點

1.采用一體化集成設計，將所有功能組件（PANI層、Au集流體、凝膠電解質）無縫整合到尼龍織物中，解決了傳統多層結構的層間剝離問題。

2.超薄（82.0μm）且高柔性，可彎曲、扭轉、裁剪，能緊密貼合圓柱、棱柱、圓錐等任意表面，適配可穿戴和偽裝場景。

3.實現可見光-紅外雙波段光調制，金黃色與深綠色可逆切換，兼具優異的電壓耐受穩定性（1小時連續工作后保持90.4%調制率）和循環穩定性（3000次循環后電流密度保留93.7%）。

4.寬溫域適應性強，在-5℃至50℃范圍內穩定工作，低溫下仍保持89.5%的初始反射調制率，高溫下光調制性能進一步提升。

5.成功應用于環境自適應偽裝系統，可同時匹配可見光和紅外波段的環境背景，實現動態偽裝效果。

本文要點

要點一

一體化電致變色織物的集成與結構表征

圖1：AECF的結構示意圖、截面SEM圖像、EDS元素分布及柔性展示圖。

圖1a（左）展示了AECF的結構設計：以尼龍織物為基底，Au作為集流體和反射層，對稱PANI作為電致變色層和離子存儲層，凝膠電解質填充于織物孔隙中；（右）為AECF在沙漠和叢林環境中的可穿戴動態偽裝示意圖。圖1b的截面SEM圖像證實了AECF的超薄結構（~82.0μm），EDS元素分布顯示Zn、Cl等電解質成分均勻分布，各功能層緊密集成，避免了層間脫落。圖1c通過實物照片展示了AECF的可卷曲、扭轉和裁剪特性，驗證了其高柔性。

該設計的核心優勢在于“一體化”構型：PANI層通過電沉積覆蓋在Au修飾的尼龍織物兩側，縮小了織物孔隙，為電解質提供封閉空間；凝膠電解質充分滲透后形成均勻平整的表面，確保了各組件的兼容性和離子傳輸效率。

要點二

電化學與電致變色性能研究

圖2：AECF的電致變色性能測試圖。

圖2a的原位光譜反射率等高線圖顯示，在300-2500nm波長范圍內，AECF的反射率隨電壓變化顯著，證實其在可見光和紅外波段均具備動態調控能力。圖2b表明，AECF在±1.5V電壓下具有優異的電壓耐受穩定性，連續還原1小時后仍能保持90.4%的初始反射調制率。圖2c的循環穩定性測試顯示，經過3000次循環后，AECF的電流密度保留率達93.7%。圖2d顯示，室溫儲存20天后，高反射態（黃色）和低反射態（綠色）的反射光譜僅輕微衰減，長期穩定性良好。圖2e測試了紅外波段（2500nm）的切換速度，著色時間（tc）為3.0s，褪色時間（tb）為4.3s，響應迅速。圖2f的性能對比表明，AECF在厚度、柔性、循環穩定性等關鍵指標上優于多數已報道的PANI基電致變色織物。

圖3：AECF在寬溫度范圍內（?5°C至50°C）的電化學行為和電化學性能。

圖3(a、b) 顯示 4 M ZnCl?凝膠電解質在 25℃時離子電導率達26.8mS cm?1，且活化能最低（10.22 kJ mol?1），離子傳輸效率優異。圖3c的 EIS 曲線表明電化學過程受擴散控制，電荷轉移阻力低。圖3d的GCD曲線顯示溫度升高時電容增強，圖3(e、f)證實AECF在-5℃時仍保留89.5%初始反射調制率，50℃時光調制性能進一步提升，寬溫域適應性滿足極端環境應用需求。

要點三

機械性能與任意表面貼合性

圖4：AECF的彎曲穩定性和表面貼合性測試圖。

圖4a顯示，AECF在0°-180°彎曲角度下，電容保留率接近96%，電化學活性基本不受影響。圖4b的CV曲線表明，經過5000次彎曲循環后，AECF仍能保持86.7%的初始電容，彎曲穩定性優異。圖4c的反射光譜顯示，5000次彎曲循環前后，AECF的光調制性能無明顯衰減，可逆性良好。圖4d（上）展示了AECF貼合圓柱、棱柱、圓錐等不同形狀表面的實物照片，在高/低反射態下均能穩定保持顏色切換；（下）的CV曲線對比表明，貼合任意表面后，AECF的電化學行為與平整狀態基本一致，驗證了其出色的貼合性和機械穩定性。

這種優異的機械性能源于一體化結構設計和尼龍基底的多孔特性：各功能層緊密集成避免了層間應力集中，多孔結構為彎曲過程中的機械應力提供了緩沖空間。

要點四

紅外調控機制與偽裝應用展示

圖5：PANI的紅外調制機制及AECF的環境自適應偽裝測試圖。

圖5(a、b)通過DFT模擬揭示了PANI的紅外調制機制：還原態（LB）PANI的HOMO-LUMO能隙為4.00eV，僅在385nm處有π-π*躍遷吸收峰，無紅外吸收；氧化態（ES）PANI的能隙縮小至1.05eV，在992nm處出現極化子峰，產生紅外吸收。圖5(c、d)的分子軌道能級圖表明，ES態PANI在占據軌道和空軌道之間形成了極化子能級，使得電子躍遷能量落入近紅外區域，從而實現紅外調制。

圖5e（上）展示了AECF與模型車集成的環境自適應偽裝系統：模型車在沙漠區域時，AECF呈土黃色；進入叢林區域后，通過電壓調控切換為深綠色，實現可見光波段的環境融合。（下）的紅外熱成像圖顯示，在沙漠（高溫）環境中，AECF表現出高紅外輻射特性，與環境熱特征匹配；在叢林（低溫）環境中，紅外輻射特性降低，接近叢林背景的紅外熱輻射，實現了紅外波段的動態偽裝。CIELAB顏色空間分析表明，AECF在黃色態與沙漠背景的色差ΔE*_ab為9.73，綠色態與叢林背景的色差為4.56，具備良好的可見光偽裝效果。

圖6: 聚苯胺的LB態和ES態的前沿分子軌道和相應的能級。

從圖中可以看出，PANI在ES態的HOMO-LUMO能隙最小（1.05 eV），比LB態（4.00 eV）窄，這是由于在LB態氧化成ES態時，電流載流子注入了導帶。

圖7：AECF在高反射率(a)和低反射率(b)狀態下的可見光照片（上）和相應的紅外熱像（下）。

本文小結

該工作通過將對稱PANI電致變色材料集成到尼龍織物中，開發了一種高度集成的柔性AECF。其核心優勢在于：1）一體化結構設計解決了傳統多層電致變色織物的剛性、層間剝離和兼容性問題，實現了82.0μm的超薄厚度和優異柔性；2）基于PANI的雙波段光調制特性，實現了金黃色-深綠色的可逆切換，兼具可見光和紅外調控能力；3）寬溫域穩定性（-5℃至50℃）和長循環穩定性，滿足極端環境應用需求；4）出色的任意表面貼合性，成功應用于環境自適應偽裝系統，實現可見光和紅外波段的動態偽裝。

該研究為開發高性能電致變色織物提供了新思路，其在智能可穿戴電子設備、軍事動態偽裝等領域具有廣闊的應用前景。未來的研究方向可進一步優化 PANI 的紅外調制效率，拓展其在更廣泛場景中的應用。

作者介紹

第一作者

王雨豪

北京工業大學材料科學與工程學院研究生，主要研究方向為電致變色材料與器件，在柔性電致變色織物的結構設計與性能優化方面有深入研究，參與本項目的核心實驗設計與數據分析工作。

通訊作者

張倩倩

張倩倩，北京工業大學材料科學與工程學院教授、博士生導師。主要從事納米通道膜材料離子輸運性質調控及其能源和電致變色應用研究。目前以第一作者/通訊作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊發表學術論文100余篇，論文引用次數超4000余次，H因子38，其原創成果入選“北京市廣受關注學術成果”。已獲授權國家發明專利11項，實現技術轉化3項。先后主持國家自然科學基金、軍委科技委工程項目、北京市自然科學基金、市科委項目等10余項。擔任Carbon Neutralization等期刊青年編委。

團隊優質文獻推薦

(1) All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators. Nat. Commun., 2024, 15, 3649.

(2) Anion-selective ion conductor boosting highly flexible all-in-one electrochromic fabrics. Adv. Funct. Mater., 2025, 35, 2420459.

(3) Electronegative nanochannels accelerating lithium-ion transport for enabling highly stable and high-rate lithium metal anodes. Adv. Energy Mater., 2023, 13, 2204007.

(4) Nanofiber-reinforced clay-based 2D nanofluidics for highly efficient osmotic energy harvesting. Nano Energy, 2022, 100, 107526.

(5) Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting. Nano Energy, 2020, 76, 105113.

期刊介紹

發 展 歷 程

Carbon Neutralization是溫州大學與Wiley共同出版的國際性跨學科開放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創刊，名譽主編由澳大利亞新南威爾士大學Rose Amal院士擔任，主編由溫州大學校長趙敏教授和溫州大學碳中和技術創新研究院院長侴術雷教授擔任，編委會由來自11個國家和地區的28名國際知名專家學者組成，其中編委會19位編委入選2025年度全球“高被引科學家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ數據庫收錄，入選為中國科技期刊卓越行動計劃二期高起點新刊，并于2025年獲得首個影響因子12。

Carbon Neutralization重點關注碳利用、碳減排、清潔能源相關的基礎研究及實際應用，旨在邀請各個領域的專家學者發表高質量、前瞻性的重要著作，為促進各領域科學家之間的合作提供一個獨特的平臺。

一審 |

王雨豪

二審 |

謝棉棉

三審 |

肖 遙

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wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊編輯部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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