|锌型电致变色器件实现耗能可回收透明多彩显示

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电致变色显示技术是指由电致变色材料做成的器件在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化，可以应用于仪表显示、电子标签、户外广告等领域。由于颜色改变的持久稳固且仅在产生改变时需要消耗能量，电致变色显示器与其它显示器相比具有制造成本低、驱动电压低、色彩丰富等优点。然而，由于工作电极和对电极同时发生的变色反应，传统的电致变色显示器件无法实现单一电极的颜色调控。同时，传统的电致变色显示器件需要外界电压的驱动来实现颜色的转换，达不到最优的节能效果。
无机电致变色材料由于其良好的热稳定性和化学稳定性，使其具有极高的商业化前景。在无机电致变色材料中，五氧化二钒由于其多彩的颜色变化被认为是多彩显示技术的极优选择。近期，瑞士Adolphe Merkle研究所的Ullrich Steiner教授课题组通过在电极上左右分开排列五氧化二钒电致变色层（图1），来避免传统电致变色显示器中由于工作电极和对电极同时发生的变色反应而造成的颜色干扰（Nano Lett.,2012,12, 1857–1862）。然而，这样的方法并不能消除工作电极和对电极同时发生的变色反应，最终只能产生三种颜色显示（黄色、绿色、蓝色）。

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图1. 基于五氧化二钒的传统电致变色显示器件和锌型电致变色器件
近日，加拿大阿尔伯塔大学李海增博士与合作者们提出一种锌型电致变色显示器件（图1）。这种锌型电致变色显示器件实现了单一电极的颜色调控，进而通过颜色叠加作用扩大了显示器件的可显示颜色范围；另一方面，这种锌型电致变色显示器件的着色过程并不会像传统的电致变色器件一样需要外界电压的驱动，是一种自发的放电过程。因此，在褪色过程中消耗的能量可以部分回收。
作者基于前期对于锌型电致变色器件在智能窗方面的研究（Joule,2019,3, 2268-2278; Adv. Mater.,2019,31, 1807065），发现这种锌型电致变色器件可以实现单一电极的颜色调控。因此，作者在这种锌型电致变色器件结构基础上设计了全新的透明多彩显示器件。通过将锌薄与胶状电解液夹于两片SVO电极之间，作者构建了一种锌型的透明多彩显示器件（图2a）。由于单一的SVO薄膜可以呈现三种可逆的颜色变化，通过颜色叠加作用， Zn-SVO显示器件可以实现六种颜色的显示（图2b）。并且Zn-SVO显示器件在颜色变化的同时维持了大于30%的透过率（图2c）。另一方面，由于Zn阳极与SVO薄膜间的电势差，这种Zn-SVO显示器拥有1.56 V的开路电势（图2d）。这一开路电势使得Zn-SVO显示器在点亮LED的过程中（放电过程）（图2e），实现由橙色到绿色（包含四种中间颜色）的自主着色（图2f）。同时，这一放电过程回收了部分在褪色过程（2.0 V外部电压）中消耗的能量。该工作所展示的锌型电致变色显示器件对高效节能的多彩显示器件具有重要的借鉴意义。

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图2. Zn-SVO电致变色显示器件
这一研究成果近期发表在Light: Science & Applications上，文章的第一作者是加拿大阿尔伯塔大学硕士生张梧，通讯作者为李海增博士和Abdulhakem Elezzabi教授，合作者包括美国路易斯安那州立大学的于伟泳教授。
Transparent inorganic multicolour displays enabled by zinc-based electrochromic devices
Wu Zhang, Haizeng Li*, William W. Yu, Abdulhakem Y. Elezzabi*
Light Sci. Appl.,2020,9, 121, DOI: 10.1038/s41377-020-00366-9
李海增博士简介

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李海增博士2016年毕业于东华大学纤维材料改性国家重点实验室，师从电致变色领域专家王宏志教授。自2011年以来，李海增博士一直从事电致变色调光器件的研究，着眼于光电集成技术的发展，从电致变色半导体材料到功能集成化系统器件形成了一个完整的有鲜明特色的研究体系，在理论设计、工艺实现和工程应用方面都取得了关键性的突破。近年来，李海增博士建立了一步溶剂热法制备高性能氧化钨半导体电致变色薄膜(J. Mater. Chem. A,2014,2, 11305) ，开发了低成本高稳定性的可印刷电致变色半导体墨水(J. Mater. Chem. C,2016,4, 33-38；Adv. Mater. Technol.,2017,2, 1700047；Nano Energy,2018,47, 130-139) ，提出了纳米增材制造印刷电子技术复合薄膜的设计策略(ACS Appl. Mater. Interfaces,2018,10, 10520) ，实现了低成本复杂结构的电致变色纳米半导体薄膜的构筑；并创建了新型耗能可回收电致变色集成系统(Adv. Mater.,2019,31, 1807065(高被引论文)) ，解决了传统电致变色调光器件能耗以及电路设计存在的问题；提出了混合电解质体系用于高性能耗能可回收电致变色集成系统的设计思路(Joule,2019,3, 2268(热点论文)) ，致力于下一代电致变色调光器件的绿色可持续发展的实用技术的研究；构建了基于耗能可回收电致变色集成系统的“透明多彩”显示新模式(Adv. Optical Mater.,2020,8, 1901224;Light Sci. Appl.,2020,9, 121) ，解决了传统电致变色显示器中电极对称性以及颜色多彩性等关键技术难题。此外，李海增博士与国内知名镀膜玻璃有限公司以及加拿大最大的窗户制造商All Weather Windows具有深度合作，掌握着低成本制备大面积智能窗的核心技术。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：我们课题组一直在进行电致变色领域的相关研究。在2019年，我们提出了一种锌型电致变色器件。这种锌型电致变色器件通过将锌薄和电解液夹于两片电致变色电极之间，消除了传统电致变色器件对于对电极的需求，进而实现了单一电极的颜色调控。基于这一点，我们构想出了颜色叠加作用来扩展电致变色显示器件的可显示颜色范围。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：为了快速、简易的制备SVO电致变色涂层，我们提出了一种新型的刮棒涂布法（参考正文）。这一方法需要我们不断调节SVO纳米溶胶与纤维素的混合比例来确定最优的参数。通过大量参数调控与优化后，我们终于实现了在大尺寸上快速制备电致变色薄膜。这一方法在工业上有较高的应用前景。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
【|锌型电致变色器件实现耗能可回收透明多彩显示】A：我们课题组所提出的锌型电致变色器件以及颜色叠加作用具有普适性，可以应用于多种光学器件，其中包括智能窗和多彩显示器。这种全新的颜色显示机制为新型显示器件的推出提供了新的策略。