清华大学张如范团队：MOFs诱导合成多孔Yolk-shell结构的NiO电致变色材料--颗粒学报PARTICUOLOGY

电致变色材料作为一种可以在较小电压作用下实现其光学属性（透过率、反射率和吸收率等）发生稳定、可逆变化的特殊功能材料，被广泛应用于智能窗、适应性伪装、电子显示、防眩目后视镜等领域。过渡金属氧化物电致变色材料因具有光学对比度高、记忆效果好和优异的环境耐候性能，已经成为电致变色材料中研究最广泛的一类。然而，过渡金属氧化物由于存在本征导电性较弱、离子扩散能力较低等问题，会造成电致变色响应时间较长、循环稳定性较差等。针对这些问题，相关学者采用复合电致变色材料构筑、金属颗粒修饰等方法，并取得了积极的进展。然而这些方法依然存在制备过程相对复杂、成本较高的问题，不利于后续扩大应用。因此，针对过渡金属氧化物电致变色材料变色响应速度慢、循环稳定性差等问题，亟需开发一种简单、高效的制备新策略。

近日，清华大学张如范课题组应邀在PARTICUOLOGY上发表研究论文，该工作巧妙借助金属-有机框架材料(MOFs)作为结构诱导剂实现了制备具有多孔Yolk-shell特殊结构的NiO纳米球形（PYS-NiO NSs）电致变色材料。由于独特的三维多孔Yolk-shell结构和生成的少量碳颗粒使得PYS-NiO NSs的结构稳定性和导电性能得到了较大提升，在0.4和-0.6 V电压下实现了无色和棕黑色可逆颜色变化，着色和褪色响应时间分别是3.6/3.9 s，并取得了优异的循环稳定性能（3000次循环）。因此，该PYS-NiO NSs电致变色材料在智能窗、反炫目后视镜及智能显示等领域展示了较大的应用潜力和价值。

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文章亮点

1. 利用MOFs作为结构诱导剂制备了具有高导电性、大比表面积和优异电化学活性的Yolk-shell结构的NiO电致变色材料。

2. Yolk-shell结构NiO实现了快速的电致变色响应时间（着色/褪色时间为3.6 s/3.9 s）和优异循环稳定性能（3000次循环）。

3. Yolk-shell结构NiO在棕黑色和无色的电致变色效果使得其在智能窗、反炫目后视镜及智能显示等领域具有潜在应用价值。

图文解析

图1. PYS-NiO NSs的制备过程示意图和形貌结构表征。(a)通过溶剂热和退火两步热反应过程实现制备PYS-NiO NSs；(b)前驱体Ni-BTC的SEM图；(c)和(d)分别是PYS-NiO NSs的整体和单个NiO的SEM图；(e)和(f)分别是PYS-NiO NSs的TEM图和HRTEM图；(g) PYS-NiO NSs的EDX-mapping图（Ni、O、C元素）。

图2. PYS-NiO NSs电致变色性能和电化学特性。(a) PYS-NiO NSs和未使用MOFs作为诱导剂得到的NiO的电致变色效果对比；(b) PYS-NiO NSs的电致变色着色和褪色时间分别是3.6 s和3.9 s；(c) PYS-NiO NSs和未使用MOFs作为诱导剂得到的NiO的循环伏安曲线（CV曲线）；(d) PYS-NiO NSs在-0.6 V和0.4 V电压下的透射光谱；(e) PYS-NiO NSs前驱体Ni-BTC在退火过程中的热重-差示扫描量热曲线（TG-DSC曲线）；(d) PYS-NiO NSs和未使用MOFs作为诱导剂得到的NiO电化学阻抗谱（EIS曲线）。

图3. PYS-NiO NSs电化学性能和循环稳定性能表征。(a)和(b)分别是PYS-NiO NSs在不同扫速下的CV曲线和计算转换得到的OH-的扩散速率曲线；(c) PYS-NiO NSs在-0.6 V和0.4 V电压下交替着色/褪色的循环稳定性能曲线。

图4. PYS-NiO NSs电致变色器件和性能展示。(a)和(b)以PYS-NiO NSs组装电致变色器件（ECD）的结构示意图和实物器件；(c) 电致变色器件在不同电压下的电致变色效果展示。

图5. PYS-NiO NSs电致变色过程及结构优势示意图。PYS-NiO NSs的电致变色过程为OH-离子的可逆嵌入和脱出过程，PYS-NiO NSs由于独特的空心结构可以有效释放电致变色中离子嵌入和脱出产生的结构应力，从而使其具有优异的结构稳定性。此外，前驱体Ni-BTC MOFs在退火过程中产生的丰富碳颗粒使得PYS-NiO NSs的导电性得到较大提升，进而提高了电致变色响应速度。

综述

综上，该工作通过巧妙借助Ni-BTC MOFs作为前驱体实现了高效制备具有多孔Yolk-shell结构的NiO电致变色材料，该方法简单、高效，具有普适推广价值，将为其他过渡金属氧化物电致变色材料在电致变色变色响应速度、循环稳定性等性能提升方面提供重要的参考。

通讯作者

张如范，清华大学化工系副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Carbon Innovation副主编、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。2005–2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009–2014年博士就读于清华大学化工系，2014–2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Cell Reports Physical Science、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文99篇。申请发明专利14项；撰写学术专著7部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”（2018）、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

供稿：原文作者

编辑：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Wang, B., Huang, Y., Zhao, S., Li, R., Gao, D., Jiang, H., & Zhang, R. (2024). Novel self-assembled porous yolk-shell NiO nanospheres with excellent electrochromic performance for smart windows. Particuology, 84, 72-80. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.03.007.

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