建筑行業能源消耗問題廣受全球關注，能夠根據溫度、光線、電壓等外部刺激動態調節光學特性的智能變色窗，可大幅降低建筑整體能耗，在建筑節能領域展現出巨大潛力。其中，無需持續電能或其他能源供給，僅借助外界光線變化即可實現光線調節的光致變色智能窗，有望成為未來建筑的主流選擇。然而，構建同時具備高效光致變色性能、高透明度、優異調光能力且性能穩定的有機-無機雜化光致變色材料，仍是當前亟待攻克的技術難題。
近日，東南大學付國東課題組提出了一種基于B─O─W配位的新型共軛有機-無機雜化光致變色材料。實現了無機納米粒子（PTA）在有機聚合物中的高度分散，有效降低PTA的帶隙寬度。動態d-p-π軌道耦合為W??→W??的可逆轉變提供了高效的電子傳遞路徑。紫外光激發下，π離域電子通過B─O─W配位通道高效注入PTA，顯著促進變色過程，自主調節可見光透過率（△T 550 nm = 92.67%）。在不同季節表現出自適應的太陽熱能和光調節性能，顯著降低建筑能耗。
研究人員設計出一種基于苯硼酸與PTA的新型共軛有機-無機雜化光致變色材料。sp2雜化構型的硼原子，通過B-O-W配位鍵鎖合，有效干擾POM的晶體生長，在聚合物網絡中形成具有較小尺寸的超細納米粒子（5.28 nm），并增加鏈段空間構象的緊密性，賦予材料優異的粘附性能（13 MPa）。形成的d-p-π軌道耦合不僅為W6+和W5+之間的可逆轉變提供高效的電子傳遞路徑，同時有效縮小磷鎢酸（PTA）的光學帶隙（2.41 eV）。苯硼酸作為調節價帶的電子供體，在紫外光激發下，π離域電子被激發到更高的能級，通過B─O─W配位鍵將電荷注入到PTA的導帶中，增加了導帶中的電子濃度，進而提升光響應性。制備出的新型共軛有機-無機雜化光致變色材料具有高透明度（96.4%）、快速光響應（10 s著色）、優異調光能力（96.4%-2.6%）和節能效果，在冬季和夏季對室內進行選擇性加熱和冷卻，顯示出改善室內日光舒適度和能源效率的巨大潛力。
圖1 PDAB0.3-W涂層的化學成分和網絡結構示意圖，及其工作原理。
圖2. 光學性能分析。(a) PDAB0.3-W在紫外線照射下的紫外-可見透射率光譜；(b) PDAB0.3-W在紫外線照射下，在749 nm和550 nm波長透射率變化；(c) PDAB0.3-W與其他被動調制智能窗的透光性及調光能力（△T）對比（含散射效應：水凝膠[11,36–40]、液晶[41,42]、離子液體凝膠[43,44]；不含散射效應：WO3[3,9,10,12,22,24,45–47]、 VO?[48,49]、MoO3[50,51]及有機材料[52,53]）；(d) PDAB0.3-W在經歷110次調色與褪色循環后的749 nm波長下透射率變化；(e) PDAB0.3-W著色過程的實景照片。
圖3. (a) PTA與分子鏈間相互作用類型示意圖及基于密度泛函理論計算的對應結合能；(b) 針對B、O、W元素的投影態密度(PDOS)分析；(c) PTA與PDAB分子鏈間形成B-O-W配位鍵的電荷密度差圖；(d) B-O-W配位結構的鍵長與鍵角；(e) PDAS與PDAB部分重復單元的靜電勢分布，以及與PTA相互作用后的對應RDG分布。
圖4. (a) 鎢箔、PDAB0.3-W和WO?在鎢L3邊處的XANES光譜。(b) 鎢箔、PDAB0.3-W和WO3在鎢L3邊處的傅里葉變換(FT)圖。(c, d) PDAB0.3-W的EXAFS光譜在R空間和K空間的對應擬合結果。(e) PDAB0.3-W與PDAS0.3-W的帶隙計算示意圖；(f) PDAB0.3-W在紫外照射下的吸收光譜；(g) PDAB0.3-W與PDAS0.3-W在紫外照射下700 nm處吸光度變化曲線；(h) PDAB0.3-W與PDAS0.3-W褪色狀態的XPS掃描全譜；(i) W 4f高分辨譜；(j) PDAB0.3-W著色狀態下W 4f高分辨譜；(k) PDAB0.3-W漂白與著色狀態下B 1s高分辨譜；(l) PDAB0.3-W著色狀態下分別在空氣與真空環境中保持2小時后的可見光透射率光譜。
圖5. (a)PDAB0.3-W智能窗戶外測試系統示意圖及熱調節原理；(b)冬季模式下窗面溫度監測曲線；(c)冬季模式下模型房屋內部溫度監測曲線；(d)夏季模式下窗面溫度監測曲線；(e)夏季模式下模型房屋內部溫度監測曲線；(f)冬季與夏季模式下窗面紅外成像照片。
論文信息
Highly Transparent Photochromic Coating with Excellent Dimming Capability Based on B─O─W Coordination Bonding Strategy
Yuting Tian, Xiaoying Xin, Ju Hu, Zhiwei Li, Miaomiao Liu, Prof. Guodong Fu
論文第一作者為博士生田雨停。
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202513064
