基于芦竹叶源碳点、[BMIm][Trif]和锂盐共掺杂的紫外阻挡发光杂化电解质及其在电致变色窗中的应用

《Journal of Ionic Liquids》：UV-blocking Luminescent Hybrid Electrolyte doped with [BMIm][Trif], Lithium salt and Carbon Dots derived from Arundo donax leaves for Electrochromic Windows

为解决建筑能耗问题并提升智能窗性能，研究人员开发了一种新型多功能杂化电解质，该电解质由低分子量聚氧丙烯/硅氧烷二脲硅基质掺杂三氟甲磺酸锂(LiTrif)、离子液体[BMIm]Trif以及芦竹(Arundo donax)叶衍生的碳点(CDs)制成。研究将其成功集成于电致变色器件(ECD)中，实现了高开关效率（550/1200 nm处透射率变化达36/21%）、高光学密度调制（0.33/0.38）及优异的电化学稳定性，为下一代高效、稳定且多功能的智能窗系统提供了新材料设计策略。

　　

随着全球气候变暖问题日益严峻，建筑环境的能耗管理成为关键挑战。据统计，建筑供暖、通风和空调系统可消耗建筑总能源的40-60%，约占全球能耗的15%。传统的窗户在引入自然光和通风的同时，也常常导致不必要的热量传递，加剧了能源消耗。因此，能够动态调控太阳辐射和热传递的智能窗技术，被视为提升建筑能效的突破口。在众多智能窗技术中，电致变色窗因其能通过施加电压可逆地改变光学特性（如颜色、透光率），并在稳态下能耗极低而备受关注。然而，要实现下一代电致变色窗的广泛应用，仍需克服光学调制范围、切换速度、长期循环稳定性以及器件结构集成等方面的挑战。近年来，研究者们致力于开发多功能、可持续的电解质材料，以提升电致变色器件的整体性能。在此背景下，将源自天然材料的组分（如生物质碳点）与高性能添加剂（如离子液体）结合，成为实现绿色、高效智能窗系统的前沿方向。

为了应对上述挑战，来自葡萄牙贝拉内政大学的研究团队在《Journal of Ionic Liquids》上发表了一项创新性研究。他们设计并合成了一种新型多功能杂化电解质，旨在用于集成电致变色/热致变色智能窗系统，以应用于节能建筑。

研究者采用了几项关键技术方法来开展此项工作。首先，他们通过溶胶-凝胶法合成了一种低分子量聚氧丙烯/硅氧烷二脲硅杂化基质d-U‘（400）作为宿主框架。其次，他们将三种功能化添加剂——源自芦竹(Arundo donax)叶子的碳点、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐以及三氟甲磺酸锂——共同掺杂到该基质中，制备了一系列掺杂电解质薄膜。第三，利用X射线衍射、扫描电子显微镜、衰减全反射傅里叶变换红外光谱、光致发光光谱等技术系统地表征了电解质的结构、形貌和光学性质。最后，他们采用磁控溅射和电子束蒸发技术在ITO导电玻璃上分别沉积了非晶氧化钨和晶态氧化镍薄膜，并将制备的d-U‘（400）-CD-IL-Li电解质组装成完整的五层夹心结构电致变色器件（结构为：玻璃/ITO/a-WO₃/电解质/c-NiO/ITO），并对其电化学性能和电致变色性能进行了循环伏安法、计时电流法以及紫外-可见-近红外透射光谱测试。

3.1. 结构、形貌和光学性质

通过X射线衍射分析发现，所有掺杂样品均显示出与非掺杂基质相似的宽衍射峰，表明掺杂并未破坏材料的无定形本质和基本结构有序性。扫描电子显微镜图像显示，掺杂后的薄膜表面均匀、致密且无孔，没有明显的相分离或缺陷，说明添加剂被有效地纳入了杂化网络。元素分布 mapping 进一步证实了碳、硅、氧、氮、硫、氟等元素在薄膜表面和截面均匀分布。红外光谱分析揭示了掺杂剂对尿素羰基氢键网络的显著影响：离子液体和锂盐的引入，特别是与碳点协同作用时，减少了无序的尿素/聚氧丙烯聚集体的比例，同时增强了更为有序的尿素/尿素氢键聚集体，这表明氢键网络发生了有利于结构稳定性的重组。光致发光研究表明，掺杂样品保留了基质固有的激发依赖性发光特性，碳点的加入减轻了因聚集导致的荧光淬灭。其中，同时含有碳点、离子液体和锂盐的d-U‘（400）-CD-IL-Li样品获得了最高的绝对量子产率（8 ± 1 %）。

3.2. 电致变色器件表征

研究人员将性能最优的d-U‘（400）-CD-IL-Li电解质集成到电致变色器件中并测试其性能。该器件在±3.0 V/+4.0 V电压驱动下，可实现从亮黄色（漂白态）到深蓝色（着色态）的可逆切换。性能测试结果显示，该器件具有优异的电致变色性能：在550 nm和1200 nm波长处分别实现了36%和21%的高透射率变化（ΔT），对应的光学密度调制（ΔOD）分别为0.33和0.38。特别是在第50次循环时，器件表现出高的着色效率：在550/1200 nm处，着色过程的着色效率(CE_in)分别为?618.87/?713.01 cm²C^?1，漂白过程(CE_out)分别为+381.14/+439.12 cm²C^?1。循环伏安和计时电流测试表明，器件在50次循环中保持了高度的电荷插入/脱出可逆性和电化学稳定性，阴极与阳极电荷比（Q_in/Q_out）基本恒定，未出现显著性能衰减。该器件提供了两种电压驱动模式：明亮的暖色模式（+4.0 V，550/1200 nm透射率为68/36%）和半明亮的冷色模式（?3.0 V，550/1200 nm透射率为7/11%）。

本研究成功开发并验证了一种基于d-U‘（400）二脲硅基质的多功能杂化电解质系统，该系统协同掺杂了LiTrif、[BMIm]Trif离子液体和芦竹叶衍生的碳点。研究表明，掺杂剂，尤其是LiTrif和碳点的组合，显著重组了基质的氢键网络，促进了更有序、更强尿素/尿素聚集体的形成，但并未损害其结构和形貌的均匀性。光致发光性能得到增强，最高量子产率出现在三元共掺杂样品中。将电解质应用于电致变色器件后，器件展现了高的光学对比度、优异的高着色效率、良好的近红外调制能力以及出色的循环稳定性。这项工作的重要意义在于，它首次在低分子量二脲硅电解质中实现了锂盐、三氟甲磺酸基离子液体和生物源碳点的协同整合，并在全固态电致变色器件中验证了该多功能概念的可行性。该研究不仅为开发具有紫外阻挡和发光特性的智能窗电解质提供了新材料设计范式，而且通过结合有机-无机杂化基质与多功能添加剂，顺应了下一代电致变色系统高效、稳定和应用导向的设计战略，为建筑节能和可持续发展提供了有力的技术支持。