本文亮点
1. 突破规模化制备瓶颈：开发了一种可大面积扩展的制备工艺，解决了传统方法难以均匀沉积大尺寸薄膜的难题，显著降低了量产成本，为工程化落地提供了核心技术支撑。
2. 兼具高性能与长周期稳定性：在实现大面积化的同时，通过结构设计或工艺优化，有效抑制了材料的不可逆衰减，使器件保持了快速的响应速度与超长的循环寿命，满足建筑门窗的长期服役要求。
3. 节能效果显著，具备全球多气候区应用潜力：经EnergyPlus软件对全球40余个城市的模拟验证，该智能窗在热带地区较传统窗户单位面积年节能达140.0 MJ/m²，在各气候区均展现出显著的节能优势；同时搭配蓝牙智能控制系统，可实现冷暖模式自适应切换，进一步提升建筑能源利用效率。
研究背景
全球建筑能耗占总能耗近40％，门窗作为建筑热工性能最薄弱的环节，是暖通与照明能耗高企的核心诱因。电致变色智能窗(ESW)可在外加低电压下动态调控可见光(VIS)与近红外(NIR)双波段透过率，协同实现太阳辐射管理与视觉舒适，有望降低建筑照明与温控能耗，是支撑“双碳”目标与零碳建筑的关键技术。在电致变色材料中，氧化钨(WO₃)因切换动力学快、光学调制能力强、循环稳定性优异，成为ESW的主流候选材料。然而，WO₃基ESW的商业化落地仍面临三大核心瓶颈：其一，规模化制备受限，传统水热合成、磁控溅射、电沉积等方法受反应釜容积、真空腔尺寸、电极电阻与前驱液体系限制，难以高效制备大面积均匀薄膜；其二，双波段调控性能不足，现有器件对VIS/NIR的调制范围较窄，难以兼顾不同气候与季节的节能需求；其三，长期稳定性欠佳，长期循环过程中易出现调控能力不可逆衰减，影响服役寿命。当前，迫切需要兼具大面积制备可行性、高效光谱调控能力与长循环稳定性的ESW技术。开发可规模化的制备工艺，突破传统方法的面积与成本限制。
内容简介
针对ESW规模化制备难、光热调控与节能性能难以兼顾的产业化瓶颈，贵州大学郑荣宗&电子科大贾春阳等人开发了一种基于银纳米线(AgNWs)协同的WO₃薄膜简易浸泡法原位生长策略，实现了大面积ESW的高效制备。该策略借助AgNWs的牺牲还原与成核诱导作用，构建了含有氧空位的薄膜结构，不仅探明了其生长机制与电子传输路径，更突破了传统工艺的面积限制，成功制备出6000 cm²的均匀ESW，工艺温和且具备工业量产潜力。器件展现出卓越的光热调控性能，近红外波段调制率达78.9％，可实现9~10℃的动态温度调控，同时兼顾可见光透过的视觉舒适性。此外，器件兼具超快的响应速度与10000次的高循环稳定性。EnergyPlus模拟验证表明，该ESW在全球多气候区均表现出显著节能效果，结合蓝牙智能控制系统，为零碳建筑的节能门窗应用提供了兼具经济性与高性能的解决方案。
图文导读
I AgNWs协同WO₃薄膜的原位制备与生长机制
图1. WO₃薄膜生长过程及材料表征。
如图1所示，系统阐述了AgNWs协同WO₃薄膜的简易浸泡法原位生长工艺，并结合表征与理论计算揭示其核心机制。首先，详细介绍了以AgNWs透明导电层为基底的制备流程：通过自制装置实现前驱液的均匀浸泡与原位生长，优化得到最佳AgNWs负载量，并完成从厘米级到米级的可扩展制备，明确了工艺温和、低成本、易量产的核心优势。其次，探明了AgNWs的“一石三鸟”协同作用机制：作为牺牲还原剂诱导WO₃晶格产生氧空位，作为成核位点加速薄膜均匀成核，同时作为导电网络优化电子传输路径。最后，结合微观形貌表征与DFT计算，从实验与理论双重验证了氧空位对离子扩散动力学的提升效应，为后续器件光热调控性能与稳定性的优化奠定了材料基础。
图2. 材料表征及理论计算。
II 薄膜的电化学性能
以三电极体系表征不同AgNWs浓度薄膜的电化学性能，明确了AgNWs对薄膜电化学反应的调控作用。循环伏安测试表明AgNWs浓度越高，CV曲线闭合面积越大，EIS测试表明AgNWs的高导电性与氧空位共同降低了电极-电解质界面的电荷转移电阻，同时I-V曲线显示，AgNWs浓度越高薄膜电流密度越大，导电性与载流子浓度更优异，二者结果相互印证。薄膜离子传输为扩散-电容混合控制，经Randles–Sevcik方程计算，AgNWs浓度越高，薄膜离子扩散系数越大，电荷传输动力学越优异。
图3. 电化学表征。
III 薄膜电致变色性能
通过系统测试不同AgNWs浓度的薄膜，确定当AgNWs浓度为1.0mg/mL，生长时间为30 min时，制备出来的薄膜为最优样品，其综合性能远超其他配比，且光热调控能力贴合智能窗实际应用需求。薄膜在1100 nm近红外波段透光率调制率达90.84％，在1100 nm处经20000次循环后，透光率调制率仍保持初始的86.37％。将本研究制备出来的薄膜与近年报道的WO₃基电致变色薄膜对比，其在高光学调制率的同时，兼具超长循环稳定性与较快的响应速度，综合性能处于行业领先水平。此外，通过阳光辐射模拟实验进一步对薄膜进行测试，结果表明与传统玻璃相比WO₃薄膜褪色态的隔热能力与传统玻璃相当，着色态的隔热能力与传统玻璃相差大约5℃，这也证实了薄膜在ESW应用中的辐射热管理能力，为节能建筑材料的设计提供参考。
图4. 薄膜电致变色性能。
IV ESW的性能评估
将最优的薄膜组装为不同尺寸的ESW，从基础性能、智能控制、热调控、大面积制备、节能潜力及实际应用可靠性多维度开展系统评估，验证其工程化应用价值。小尺寸器件核心性能优异，2×4 cm²器件实现可见光713 nm(ΔT=75.1％)和近红外1100 nm(ΔT=78.9％)双波段高效调制，着色/漂白响应速度快，着色效率高，长循环稳定性突出。氙灯老化测试前后光调制性能就几乎不变，抗老化性良好。中尺寸器件实现智能调控，制备10×10 cm²器件并集成蓝牙智能控制系统，可通过手机APP精准调控电压实现器件着色/漂白切换，支持冷暖模式自适应调节，能根据季节和使用需求优化室内热舒适与视觉效果，适配智能建筑应用场景。模拟太阳辐照实验表明，器件漂白态(暖模式)热性能与传统玻璃相近，着色态(冷模式)可显著抑制温度上升，较传统玻璃降温约9.6℃，证实其动态光热管理的实际效果。突破大面积制备技术瓶颈，通过自制装置成功制备100×60 cm²的大面积均匀薄膜，并将其组装成ESW，其着色/漂白状态均一性良好，500次循环后性能稳定，边缘与中心响应时间差异小，解决了规模化制备的关键难题。户外实测与全球节能模拟表现突出，贵阳户外房屋模型实测中，该ESW着色态正午较传统玻璃实现约9℃控温；通过EnergyPlus软件对全球40余个不同气候区城市模拟，其在各区域均有良好的节能效果。
图5. ESW性能评估。
V 总结
本研究通过一种经济、环保、高效、实用、可靠且简单的浸渍工艺成功制备了WO₃-x·2H2O/AgNWs复合薄膜。结合利用牺牲还原剂引入氧空位并促进薄膜生长的AgNWs改性策略，从形貌、氧空位浓度、DFT理论计算和电化学特性等方面阐明了复合薄膜的生长过程和增强机制。优化后的复合薄膜具有高光学调制和出色的循环稳定性。基于此薄膜的电致变色器件也表现出优异的电致变色性能，包括出色的透射率调制、高CE值、快速切换时间以及出色的循环稳定性。同时，由于简单的浸泡制备工艺，大面积的薄膜和ESW(100×60 cm²)得以轻松制备。此外，还对ESW进行了循环稳定性测试、户外热管理测试、抗老化测试、节能模拟测试和抗冲击测试。这些结果表明，ESW具有出色的耐久性、高节能效率和实用性。这种方法为ESW的设计提供了新的途径，对于探索具有高度选择性太阳辐射调节的先进节能设备具有重要意义。