基于聚两性离子水凝胶的双模式电致变色与热致变色智能窗：实现高效节能与循环稳定性新策略

本刊推荐一种创新双模式智能窗，通过整合WO3·xH2O/普鲁士蓝（PB）互补器件与温敏性聚两性离子磺基甜菜碱水凝胶（PSD），无需外接电源即可通过温度诱导相分离实现65.6%的光学调制（490 nm），并在电场下（-1.0/2.5 V）展现75.8%调制率（665 nm）与快速响应（着色2.5 s/褪色2.2 s）。其两性离子通道促进阴阳离子协同迁移，消除电极-电解质界面阴离子积累，使器件在6000次循环后仍保持86.7%性能，为节能智能窗设计提供新范式。

　　

Highlight

水凝胶电解质基电致变色器件（ECDs）结合了液态与固态电解质的优势，成为电致变色领域的研究前沿。然而，这些ECDs仍需外部电源驱动，且颜色变化伴随阳离子嵌入/脱出及阴离子在电极-电解质界面聚集，可能缩短器件寿命。本文通过集成WO₃·xH₂O/普鲁士蓝（PB）互补器件与温敏性聚两性离子磺基甜菜碱水凝胶，开发了一种双模式智能窗。无需外部电源时，水凝胶的温度诱导相分离使智能窗实现65.6%的光学调制（490 nm），并在房屋模型中降低室内温度6.9°C。在-1.0 V和2.5 V外加电压下，智能窗展现出75.8%的光学调制（665 nm）和快速响应（着色2.5秒，褪色2.2秒）。此外，水凝胶的两性离子通道促进阴阳离子迁移，消除电极-电解质界面的阴离子积累，使智能窗具备优异循环稳定性（4000次循环后保持99.5%调制率，6000次后保持86.7%）。

Introduction

智能窗能通过响应外部刺激（如电、温度、光等）选择性调节太阳光与热量，满足个人偏好，从而显著降低能耗并提升生活质量，对推动碳中和具有重要作用。根据刺激方式不同，智能窗分为电致变色智能窗、热致变色智能窗和光致变色智能窗等。然而，传统电致变色器件（ECDs）常需额外电压操作，且在突发断电等情况下无法正常工作。热致变色智能窗通常通过温度诱导相变运作，但响应时间长且颜色单一（白色或黄褐色），难以满足当代智能社会的审美需求。因此，亟需开发响应快速且操作方式多元的智能窗。

通过将热致变色与多彩节能的电致变色结合，可实现双操作模式，以达成提升建筑/车辆能效、保护隐私及增强美观等多重目标。受材料或器件结构限制，将电致变色与热致变色功能集成于同一平台仍面临挑战。将温敏性凝胶聚合物电解质（GPE）引入传统ECD可能是一种简单有效的解决方案。

作为典型GPEs之一，水凝胶电解质因其低成本、高透明度和离子导电性已成功应用于ECDs。然而，ECDs的颜色变化常由阳离子嵌入/脱出诱导，伴随阴离子在电极-电解质界面聚集，可能缩短器件寿命。近年来，聚两性离子水凝胶作为GPE被广泛研究，这是一类带有独特两性离子基团的带电聚合物。两性离子链上的阴离子和阳离子反离子在外部电场下易分离，强静电相互作用促进阴阳离子迁移，形成两性离子通道。阴离子通道可用于减少阴离子积累引起的电极-电解质界面降解，延长ECDs寿命。因此，将温敏单体与聚两性离子结合，可开发新型温敏聚两性离子水凝胶，将其与传统ECDs集成，可使器件具备长期循环稳定性，并能通过额外电源或温度独立切换，极大拓展智能窗的应用范围。

本文结合两性离子单体N-(3-磺丙基)-N-甲基丙烯氧乙基-N,N-二甲基铵甜菜碱（SBMA）与水溶性温敏单体N,N-二乙基-2-丙烯酰胺（DEAAm），提出一种温敏聚两性离子SBMA-DEAAm（PSD）水凝胶。通过将所得PSD水凝胶夹层于WO₃·xH₂O/普鲁士蓝（PB）互补器件中，构建了双模式智能窗。无需外部电源时，通过温度诱导相分离过程，该智能窗可实现有效的太阳热调制。PSD水凝胶的两性离子通道促进阴阳离子迁移，消除电极-电解质界面的阴离子积累，实现长期循环稳定性。因此，这种温敏电致变色智能窗不仅能主动调节窗户颜色，还能在超过特定温度阈值时提供被动隔热。

Conclusion

我们通过DEAAm和SBMA的热引发聚合成功开发了温敏聚两性离子水凝胶。通过将所得PSD水凝胶夹层于WO₃·xH₂O/PB互补器件中，构建了双模式智能窗。在-1.0 V和2.5 V外加电压下，该智能窗不仅实现了更大的光学调制（75.8% at 665 nm）和快速响应（着色2.5秒，褪色2.2秒），还具备优异的循环稳定性。