論文DOI：10.1002/adom.202102399為了更好的實現節能效果，構建優異的雙波段電致變色材料，清華大學張如范課題組針對雙波段電致變色材料變色速度慢、穩定差等問題，通過一種簡單高效的方法構建了松針狀W18O49/TiO2三維網絡異質結構，該材料具有超快的響應速度、優異的穩定性以及明顯的雙波段調控特性。本工作以“3D Pine-needle-like W18O49/TiO2 Heterostructures as Dual-band Electrochromic Materials with Ultrafast Response and Excellent Stability”為題發表在光學一流期刊《Advanced Optical Materials》上。發展建筑節能技術是實現“雙碳”目標的關鍵技術之一。根據中國建筑節能協會發布的《中國建筑能耗研究報告2021》統計， 2019年全國建筑全過程能耗總量為22.33億標準煤當量，占全國能源消費總量比重為45.9%，建筑能耗的碳排放總量為49.97億噸CO2，占全國碳排放的比重為50.6%。鑒于建筑行業碳排放如此高的比例，想要實現碳中和目標，必須發展新型高效的建筑節能技術。建筑運行階段能耗和碳排放主要源于建筑物的采暖和制冷，兩個環節耗能占建筑部門能源消費的60%，占整體碳排放的40%。窗戶是建筑物設計的關鍵部分，但也是最不節能的部分，熱量很容易通過玻璃傳遞，窗戶對建筑物的供暖和制冷成本有很大影響，如何設計具有調節、控制太陽光傳輸從而降低建筑物因為照明和溫度控制而產生能耗的智能玻璃至關重要。由于近紅外區域輻射約占太陽總輻射的50%，動態、可選擇性地調節近紅外區域通過窗戶的透光率對減少建筑能耗和碳排放具有更重要的研究意義。電致變色材料是在較低電壓下可以可逆改變顏色的一種材料，也是實現下一代技能智能窗的關鍵材料。具備雙波段調控功能的電致變色智能窗在很小的電壓下不僅可以提供可見光區域的調控，同時還可以對近紅外區域進行動態調控，從而減少建筑的碳排放，提高建筑的能源效率和增強室內空間的美觀性，近年來吸引了越來越多研究者的興趣。雙波段電致變色材料是雙波段電致變色智能窗的重要組成部分。近年來，為了制備性能優異的雙波段電致變色材料，研究者們進行了大量探索，目前已報道的方法大致可分為兩類：一種方式是使用本身具有雙波段性能的單組分電致變色材料。另外一種方式是將具有可見光的調控材料與具有近紅外波段調控的材料復合形成具有雙波段調控特性的電致變色材料。但上述材料目前普遍存在響應速度慢、循環穩定性差、制備方法復雜等問題。因此，開發一種具有相應速度快、循環穩定性好、制備方法簡單的雙波段調控電致變色材料具有十分重要的研究意義。近日，張如范課題組受自然界松針結構的啟發，通過一種簡單高效的方法構建了三維類松針狀異質結構。課題組用靜電紡絲方法制備了三維TiO2納米纖維網絡，隨后通過簡單的溶劑熱法原位生長W18O49納米刺，從而構建了松針狀W18O49/TiO2異質結構。相比于其他電致變色材料，該異質結構具有三個顯著優勢。首先，該結構可以在透明、藍色和藍黑色之間相互轉換，在633 nm處能阻擋81.4%的可見光，在1800 nm處能阻擋91.3%的近紅外光，表現了明顯的雙功能調控特性。第二，該材料具有的較大的比表面積，為電子/離子傳輸轉移提供了更多的反應路徑和活性位點，確保了材料與電解質的充分接觸。第三，W18O49納米刺在TiO2納米纖維表面的生長導致復合材料的能帶帶隙減小，使復合材料具有更小的結構勢能，從而使其在電致變色過程中能夠吸引更多的電解質離子。最后，W18O49納米刺與TiO2納米纖維之間的化學鍵合可以有效降低接觸電阻，促進兩者之間的電荷轉移，與其他電致變色材料相比，該材料具有超快的響應速率（褪色和著色時間分別為0.9和1.2 s）和優異的循環穩定性（20000次循環后性能可維持到最初的85%）。這種三維松針狀結構W18O49/TiO2優異的光電性能使其在智能顯示領域同樣具有潛在的應用價值。因此，該工作為雙波段電致變色材料和智能顯示材料的開發制備提供了一種新的思路和方法。▲圖1. 三維松針狀W18O49/TiO2異質結構的制備過程及其微觀結構。
▲圖2. 三維松針狀W18O49/TiO2異質結構的雙波段性能。
▲圖3. 三維松針狀W18O49/TiO2異質結構的綜合電化學性能。
該論文的第一作者為張如范副教授課題組聯培碩士生黃婭、博士后王寶順和北京建筑大學白小娟副教授，通訊作者為清華大學張如范副教授和北京科技大學賈希來副教授。
清華大學化工系教研系列副教授、特別研究員、博士生導師、國家高層次人才計劃入選者、中國顆粒學會青年理事、中國化學會獎勵推薦委員會委員、中國材料研究學會高級會員、中國微米納米技術學會高級會員、中國化工學會專業會員、北京能源與環境學會京津冀專家委員會委員、SusMat、Exploration、Particuology青年編委。2005-2009年本科就讀于中國石油大學（北京）化工學院，2009-2014年博士就讀于清華大學化工系，2014-2017年在斯坦福大學材料系從事博士后研究，2018年加入清華大學化工系。主要從事納米碳材料以及功能納米材料的可控制備與性能表征及應用等方面的研究，取得多項突破性科研成果。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、ACS Nano、Small Methods等期刊發表論文80余篇。申請發明專利12項；撰寫學術專著7部。曾獲侯德榜化工科學技術青年獎（2019）、中國化學會青年化學獎（2018）、《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”（2018)、中國新銳科技人物（2018）、清華大學2020年春季學期在線教學優秀教師獎（2020）、2019國際化學元素周期表年《中國青年化學家元素周期表》入選者（2019）、教育部自然科學一等獎（2016）、瑞士喬諾法（Chorafas）青年研究獎（2015）、教育部博士研究生學術新人獎（2012）等獎勵。http://www.rufanzhang-group.cnhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202102399
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