北京工業(yè)大學(xué)張倩倩教授：用于主動(dòng)光熱調(diào)制且兼容任意表面的高性能電致變色織物

用于主動(dòng)光熱調(diào)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(wàn)忠、龔輝

通訊作者：劉晶冰、汪浩、張倩倩

單位：北京工業(yè)大學(xué)

研究背景

隨著智能可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，織物和服裝對(duì)兼容性、柔性、可調(diào)光熱管理的需求日益增長(zhǎng)。電致變色（EC）技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)從可見(jiàn)光到紅外（IR）區(qū)域的寬帶光調(diào)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(fā)射率，在軍事偽裝和熱控制領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)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(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)電致變色織物因功能層間附著力差，彎曲或扭轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生結(jié)構(gòu)分層，導(dǎo)致顏色效率和光調(diào)制性能大幅下降；同時(shí)，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(shí)間快速衰減。盡管已有研究通過(guò)一體化設(shè)計(jì)提升了柔性，但紅外波段調(diào)制能力不足，限制了其在動(dòng)態(tài)偽裝領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，優(yōu)化電致變色織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并深入分析光調(diào)制機(jī)理，對(duì)提升其光熱調(diào)制能力至關(guān)重要。

成果介紹

北京工業(yè)大學(xué)張倩倩教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)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(zhì)）全部集成到單塊尼龍織物基質(zhì)中，而非采用離散的堆疊層結(jié)構(gòu)。

得益于高度集成的構(gòu)型，AECF具有82.0μm的超薄厚度和優(yōu)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(tǒng)非拉伸電致變色織物的適用性問(wèn)題。基于PANI電致變色層的光調(diào)制特性，AECF實(shí)現(xiàn)了金黃色與深綠色之間的可逆顏色切換，同時(shí)具備可見(jiàn)光和紅外反射調(diào)制能力。結(jié)合其出色的貼合性和主動(dòng)光熱調(diào)制性能，團(tuán)隊(duì)將AECF進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為環(huán)境自適應(yīng)偽裝原型系統(tǒng)，與模型車(chē)集成后可快速與動(dòng)態(tài)環(huán)境背景實(shí)現(xiàn)顏色融合。該成果以“Robust Electrochromic Fabrics Compatible With Arbitrary Surface for Active Optical and Thermal Modulations” 為題發(fā)表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮點(diǎn)

1.采用一體化集成設(shè)計(jì)，將所有功能組件（PANI層、Au集流體、凝膠電解質(zhì)）無(wú)縫整合到尼龍織物中，解決了傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)的層間剝離問(wèn)題。

2.超薄（82.0μm）且高柔性，可彎曲、扭轉(zhuǎn)、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(chǎng)景。

3.實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光-紅外雙波段光調(diào)制，金黃色與深綠色可逆切換，兼具優(yōu)異的電壓耐受穩(wěn)定性（1小時(shí)連續(xù)工作后保持90.4%調(diào)制率）和循環(huán)穩(wěn)定性（3000次循環(huán)后電流密度保留93.7%）。

4.寬溫域適應(yīng)性強(qiáng)，在-5℃至50℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，低溫下仍保持89.5%的初始反射調(diào)制率，高溫下光調(diào)制性能進(jìn)一步提升。

5.成功應(yīng)用于環(huán)境自適應(yīng)偽裝系統(tǒng)，可同時(shí)匹配可見(jiàn)光和紅外波段的環(huán)境背景，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偽裝效果。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一

一體化電致變色織物的集成與結(jié)構(gòu)表征

圖1：AECF的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：以尼龍織物為基底，Au作為集流體和反射層，對(duì)稱(chēng)PANI作為電致變色層和離子存儲(chǔ)層，凝膠電解質(zhì)填充于織物孔隙中；（右）為AECF在沙漠和叢林環(huán)境中的可穿戴動(dòng)態(tài)偽裝示意圖。圖1b的截面SEM圖像證實(shí)了AECF的超薄結(jié)構(gòu)（~82.0μm），EDS元素分布顯示Zn、Cl等電解質(zhì)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(guò)實(shí)物照片展示了AECF的可卷曲、扭轉(zhuǎn)和裁剪特性，驗(yàn)證了其高柔性。

該設(shè)計(jì)的核心優(yōu)勢(shì)在于“一體化”構(gòu)型：PANI層通過(guò)電沉積覆蓋在Au修飾的尼龍織物兩側(cè)，縮小了織物孔隙，為電解質(zhì)提供封閉空間；凝膠電解質(zhì)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(diǎn)二

電化學(xué)與電致變色性能研究

圖2：AECF的電致變色性能測(cè)試圖。

圖2a的原位光譜反射率等高線圖顯示，在300-2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，AECF的反射率隨電壓變化顯著，證實(shí)其在可見(jiàn)光和紅外波段均具備動(dòng)態(tài)調(diào)控能力。圖2b表明，AECF在±1.5V電壓下具有優(yōu)異的電壓耐受穩(wěn)定性，連續(xù)還原1小時(shí)后仍能保持90.4%的初始反射調(diào)制率。圖2c的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試顯示，經(jīng)過(guò)3000次循環(huán)后，AECF的電流密度保留率達(dá)93.7%。圖2d顯示，室溫儲(chǔ)存20天后，高反射態(tài)（黃色）和低反射態(tài)（綠色）的反射光譜僅輕微衰減，長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好。圖2e測(cè)試了紅外波段（2500nm）的切換速度，著色時(shí)間（tc）為3.0s，褪色時(shí)間（tb）為4.3s，響應(yīng)迅速。圖2f的性能對(duì)比表明，AECF在厚度、柔性、循環(huán)穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的PANI基電致變色織物。

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

圖3(a、b) 顯示 4 M ZnCl?凝膠電解質(zhì)在 25℃時(shí)離子電導(dǎo)率達(dá)26.8mS cm?1，且活化能最低（10.22 kJ mol?1），離子傳輸效率優(yōu)異。圖3c的 EIS 曲線表明電化學(xué)過(guò)程受擴(kuò)散控制，電荷轉(zhuǎn)移阻力低。圖3d的GCD曲線顯示溫度升高時(shí)電容增強(qiáng)，圖3(e、f)證實(shí)AECF在-5℃時(shí)仍保留89.5%初始反射調(diào)制率，50℃時(shí)光調(diào)制性能進(jìn)一步提升，寬溫域適應(yīng)性滿足極端環(huán)境應(yīng)用需求。

要點(diǎn)三

機(jī)械性能與任意表面貼合性

圖4：AECF的彎曲穩(wěn)定性和表面貼合性測(cè)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(xué)活性基本不受影響。圖4b的CV曲線表明，經(jīng)過(guò)5000次彎曲循環(huán)后，AECF仍能保持86.7%的初始電容，彎曲穩(wěn)定性優(yōu)異。圖4c的反射光譜顯示，5000次彎曲循環(huán)前后，AECF的光調(diào)制性能無(wú)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(shí)物照片，在高/低反射態(tài)下均能穩(wěn)定保持顏色切換；（下）的CV曲線對(duì)比表明，貼合任意表面后，AECF的電化學(xué)行為與平整狀態(tài)基本一致，驗(yàn)證了其出色的貼合性和機(jī)械穩(wěn)定性。

這種優(yōu)異的機(jī)械性能源于一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尼龍基底的多孔特性：各功能層緊密集成避免了層間應(yīng)力集中，多孔結(jié)構(gòu)為彎曲過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力提供了緩沖空間。

要點(diǎn)四

紅外調(diào)控機(jī)制與偽裝應(yīng)用展示

圖5：PANI的紅外調(diào)制機(jī)制及AECF的環(huán)境自適應(yīng)偽裝測(cè)試圖。

圖5(a、b)通過(guò)DFT模擬揭示了PANI的紅外調(diào)制機(jī)制：還原態(tài)（LB）PANI的HOMO-LUMO能隙為4.00eV，僅在385nm處有π-π*躍遷吸收峰，無(wú)紅外吸收；氧化態(tài)（ES）PANI的能隙縮小至1.05eV，在992nm處出現(xiàn)極化子峰，產(chǎn)生紅外吸收。圖5(c、d)的分子軌道能級(jí)圖表明，ES態(tài)PANI在占據(jù)軌道和空軌道之間形成了極化子能級(jí)，使得電子躍遷能量落入近紅外區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)紅外調(diào)制。

圖5e（上）展示了AECF與模型車(chē)集成的環(huán)境自適應(yīng)偽裝系統(tǒng)：模型車(chē)在沙漠區(qū)域時(shí)，AECF呈土黃色；進(jìn)入?yún)擦謪^(qū)域后，通過(guò)電壓調(diào)控切換為深綠色，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光波段的環(huán)境融合。（下）的紅外熱成像圖顯示，在沙漠（高溫）環(huán)境中，AECF表現(xiàn)出高紅外輻射特性，與環(huán)境熱特征匹配；在叢林（低溫）環(huán)境中，紅外輻射特性降低，接近叢林背景的紅外熱輻射，實(shí)現(xiàn)了紅外波段的動(dòng)態(tài)偽裝。CIELAB顏色空間分析表明，AECF在黃色態(tài)與沙漠背景的色差ΔE*_ab為9.73，綠色態(tài)與叢林背景的色差為4.56，具備良好的可見(jiàn)光偽裝效果。

圖6: 聚苯胺的LB態(tài)和ES態(tài)的前沿分子軌道和相應(yīng)的能級(jí)。

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

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

本文小結(jié)

該工作通過(guò)將對(duì)稱(chēng)PANI電致變色材料集成到尼龍織物中，開(kāi)發(fā)了一種高度集成的柔性AECF。其核心優(yōu)勢(shì)在于：1）一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)多層電致變色織物的剛性、層間剝離和兼容性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了82.0μm的超薄厚度和優(yōu)異柔性；2）基于PANI的雙波段光調(diào)制特性，實(shí)現(xiàn)了金黃色-深綠色的可逆切換，兼具可見(jiàn)光和紅外調(diào)控能力；3）寬溫域穩(wěn)定性（-5℃至50℃）和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性，滿足極端環(huán)境應(yīng)用需求；4）出色的任意表面貼合性，成功應(yīng)用于環(huán)境自適應(yīng)偽裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光和紅外波段的動(dòng)態(tài)偽裝。

該研究為開(kāi)發(fā)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(shè)備、軍事動(dòng)態(tài)偽裝等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)的研究方向可進(jìn)一步優(yōu)化 PANI 的紅外調(diào)制效率，拓展其在更廣泛場(chǎng)景中的應(yīng)用。

作者介紹

第一作者

王雨豪

北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究生，主要研究方向?yàn)殡娭伦兩牧吓c器件，在柔性電致變色織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化方面有深入研究，參與本項(xiàng)目的核心實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析工作。

通訊作者

張倩倩

張倩倩，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要從事納米通道膜材料離子輸運(yùn)性質(zhì)調(diào)控及其能源和電致變色應(yīng)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(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，論文引用次數(shù)超4000余次，H因子38，其原創(chuàng)成果入選“北京市廣受關(guān)注學(xué)術(shù)成果”。已獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利11項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化3項(xiàng)。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、軍委科技委工程項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金、市科委項(xiàng)目等10余項(xiàng)。擔(dān)任Carbon Neutralization等期刊青年編委。

團(tuán)隊(duì)優(yōu)質(zhì)文獻(xiàn)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(fā) 展 歷 程

Carbon Neutralization是溫州大學(xué)與Wiley共同出版的國(guó)際性跨學(xué)科開(kāi)放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創(chuàng)刊，名譽(yù)主編由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Rose Amal院士擔(dān)任，主編由溫州大學(xué)校長(zhǎng)趙敏教授和溫州大學(xué)碳中和技術(shù)創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)侴術(shù)雷教授擔(dān)任，編委會(huì)由來(lái)自11個(gè)國(guó)家和地區(qū)的28名國(guó)際知名專(zhuān)家學(xué)者組成，其中編委會(huì)19位編委入選2025年度全球“高被引科學(xué)家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ數(shù)據(jù)庫(kù)收錄，入選為中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃二期高起點(diǎn)新刊，并于2025年獲得首個(gè)影響因子12。

Carbon Neutralization重點(diǎn)關(guān)注碳利用、碳減排、清潔能源相關(guān)的基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用，旨在邀請(qǐng)各個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者發(fā)表高質(zhì)量、前瞻性的重要著作，為促進(jìn)各領(lǐng)域科學(xué)家之間的合作提供一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)。

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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