2025年7月15日，該工作以“Hydrated ionic polymer for thermochromic smart windows in buildings”為題發表在《Nature Communications》上。哈爾濱工業大學能源科學與工程學院王懷遠為本文第一作者，哈爾濱工業大學能源科學與工程學院高繼慧教授為本文通訊作者。

近年來，全球極端高溫事件日趨頻繁，室內制冷負荷急劇上升。據統計，建筑運行能耗占全球總能耗的40%以上，其中高達60%的熱量交換來自窗戶。在建筑節能與可持續發展日益緊迫的背景下，無需外部能源驅動、可隨溫度自動調節透光性能的熱致變色智能窗成為綠色建筑領域的研究熱點。

理想的熱致變色智能窗應同時具備高可見光透過率（T_lum > 70%）與強太陽能調節能力（ΔT_sol），既可有效調控太陽熱量，又能保持良好視野。更關鍵的是，其轉變溫度（τ_c）應位于 30–40°C 之間，才能在常規環境溫度下實現自動激活。當前主流研究多聚焦于二氧化釩（VO₂）材料，其熱致變色源于約 68°C 的金屬-絕緣體相變，主要影響紅外透過率。雖然通過元素摻雜、缺陷工程與晶粒調控等手段可在一定程度上降低轉變溫度，但往往以犧牲光譜調控能力或可見光透過率為代價。此外，水凝膠類材料雖然可在約 30.4°C 通過親疏水相變產生強烈的光散射對比，但其在高溫狀態下的嚴重霧度限制了其在部分需要清晰視野場景的實際應用。

許多過渡金屬配合物在高低溫之間具有顯著的光學對比，展現出在熱致變色智能窗中的應用潛力。近年來，基于配體交換或固態相變的熱致變色配合物體系不斷涌現，通常需嵌入聚合物基體中以提升可加工性與穩定性。然而，極性配合物與非極性聚合物間易發生相分離并形成微孔，導致光散射增強、霧度升高，進而損害可視性。同時，空氣中的水和氧也可能引起材料的溶解和泄漏，限制其長期穩定性。熱致變色的本質在于金屬離子配位構型的轉變，尤其是八面體與四面體（或平面方形）結構之間的可逆切換。研究表明，這種結構變化可由水分子的吸附與脫附驅動。因此，基于可逆水合/脫水機制構建的熱致變色系統，兼具良好的光學性能與結構穩定性，是實現高性能智能窗的有力方案。

【研究出發點】

（1）材料合成：構建了一種結構簡單、均相透明的水合離子聚合物（HIP）熱致變色薄膜，實現高光透過率（87.7%）與顯著太陽調節能力（30.5%）的協同表現，且通過調控濕度可將τ_c靈活調節于25–42?°C之間。

（2）機制揭示：結合原位變溫譜學分析、電子-磁性表征與熱響應行為測試等多維手段，系統解析了HIP熱致變色過程中Ni²⁺配位構型在水合/脫水狀態下的動態重構機制，明確了結構轉變與光學響應之間的因果聯系。

（3）測試評估：通過實地測試與建筑能耗模擬，驗證了HIP智能窗（HIPSW）在自然環境下可實現自發激活，動態調控太陽熱輸入，展現出其在綠色建筑中的廣泛應用前景。

【圖文解析】

HIP熱致變色薄膜采用刮涂法制備，室溫下透明，升溫至80?°C時逐漸變為深藍色，整個過程中無明顯霧度，歸因于其致密均勻的無孔結構，有效抑制光散射。變色源于Ni²⁺在低溫八面體與高溫四面體配位結構之間的可逆重構。光譜測試顯示，該薄膜在可見光（600–800?nm）與近紅外（1300–1400?nm）波段均具有顯著的調控能力，冷/熱態下的T_lum為87.2%/31.0%，T_sol為81.5%/51.4%，對應ΔT_lum與ΔT_sol分別達56.2%與30.1%。優異的光學調控性能得益于其調控波段與太陽能譜及人眼光譜靈敏區域的高度匹配。與已有熱致變色系統對比，該材料在透光性與調光能力方面均實現顯著突破。

圖1 HIP薄膜的水合-脫水變色機理及熱致變色調光性能展示

如前所述，水蒸氣在HIP熱致變色過程中發揮關鍵作用。通過對加熱著色樣品分別置于空氣與真空中對比實驗發現，空氣中樣品在1小時內褪色為透明，而真空條件下仍保持著色狀態，直接驗證了水的參與。熱重（TGA）與差示掃描量熱（DSC）測試進一步揭示出升溫過程中明顯的失重與吸熱特征，對應材料的脫水行為。XRD分析顯示水合/脫水過程中晶格間距發生顯著變化，證實了配位結構重構。FTIR光譜表明，HIP在20?°C下具有明顯的–OH伸縮振動峰（3365.2?cm^–1），加熱至60?°C后該峰幾乎消失，冷卻后再次出現，表明水分子可逆地脫附與重新配位。吸收光譜結果顯示：在20?°C時，HIP表現出典型的八面體Ni²⁺配位結構吸收特征，與NiCl₂水溶液一致；在60?°C時則轉變為四面體NiCl₄^2–構型，對應吸收峰明顯藍移，表明Cl^–主導的配位較弱。EPR測試進一步發現，脫水態信號強于水合態，說明其低對稱性結構易于激發順磁響應；磁化率測試亦表明脫水態存在低自旋物種，推測為畸變四面體構型。綜上結果表明，HIP的熱致變色行為源于Ni²⁺在水合態（透明八面體）與脫水態（吸光四面體）之間的可逆配位構型重構，該過程實現了對可見光與近紅外區的強吸收調控，是材料變色響應的本征機制。

圖2 HIP熱致變色薄膜的結構特征及配位重構機制示意

為滿足實際應用對低轉變溫度和快速響應速度的需求，構建了可控溫濕環境的原位光譜測試平臺，用于監測HIP熱致變色薄膜在不同濕度與溫度下的光學響應。結果表明：著色過程對濕度不敏感，約400–500?s內完成；而褪色過程則明顯受濕度影響，在80% RH下約為554?s，但在20% RH下延長至11489?s，反映低濕條件下水分子吸附速率受限。不同升溫速率實驗顯示，較慢的加熱（0.2?°C/min）有助于降低τ_c并減小遲滯寬度。濕度變化也影響轉變溫度，80% RH下加/冷過程τ_c為44.6/39.0?°C，而20% RH下降至28.9/21.4?°C，說明高濕抑制脫水過程。基于Clausius-Clapeyron關系，建立了τ_c與水蒸氣壓的定量關系，支持通過調控內部濕度定制τ_c。在太陽模擬實驗中，HIP薄膜可在自然陽光條件下于1小時內自發變色，表面溫度升至60.8?°C，顯著低于清潔玻璃的入射溫度（65.7?°C），驗證其在室溫下可由環境熱激活，具備實際應用可行性。

圖3 HIP熱致變色薄膜的濕度調控轉變行為與模擬陽光下的熱響應性能

為了驗證HIP熱致變色薄膜的真實隔熱性能，在哈爾濱開展實地測試，將HIP封裝于雙層玻璃中構建HIP智能窗（HIPSW），并通過添加CaCl₂穩定內部濕度約為40%。實地測試表明，在陽光直射條件下，HIPSW表面溫度可升至54.1?°C，而內部空間溫度比普通玻璃低近10?°C，展現出顯著的降溫效果。進一步借助恒溫艙模擬空調工況測試發現，HIPSW能夠有效降低太陽直射熱負荷，使得空調能耗降低超過30%。在20?°C、40% RH條件下的200次熱循環測試和持續120天高濕度環境下，HIPSW依然保持86.9%的高透光率與30%的太陽調制能力，轉變溫度穩定在36?°C/30?°C上下波動不超過2?°C，且無明顯形貌變化。此外，在模擬2年UV老化后，透光率僅下降2.2%，調光性能基本無衰減，驗證了HIP薄膜在實際應用中的耐久性與可靠性。

圖4 HIPSW的戶外隔熱性能和循環性能

為進一步評估HIPSW的節能潛力，研究基于EnergyPlus對10層辦公建筑進行了全年能耗模擬。結果顯示，HIPSW在全球范圍內最高可實現21%的能耗降低，尤其在中緯度和濕熱氣候區表現出穩定的節能優勢。通過對1623個城市的HDD/CDD氣候分類分析發現，相比Solar film在熱帶地區的局部優越性與Low-E玻璃在寒帶的加熱負荷削減效果，HIPSW在大多數區域均表現出溫和而均衡的節能效應，其最概然節能率為11.4%。進一步將HIPSW與Low-E玻璃復合構建LHIPSW后，在暖寒地區節能率提升至17.7%。以北京為代表分析不同窗型節能機制發現，HIPSW兼顧降冷負荷與控熱損的能力，而LHIPSW進一步實現夏季抑制太陽輻射與冬季增強長波保溫的協同，優化全年負荷匹配。此外，HIPSW在大尺寸制備、成本控制及生物安全性方面也展現出良好前景，進一步驗證了其在建筑節能領域的廣泛適用性與工程化潛力。

圖5 HIPSW的節能性能評估

【總結與展望】

本研究展示了一種基于水合離子聚合物[(C₂H₅)₂NH₂]₂NiCl₄@PVP的熱致變色智能窗，旨在調控太陽輻射并提升建筑能效。該材料的熱致變色行為源于Ni²⁺離子在吸脫水過程中可逆地在八面體與四面體配位結構之間轉變，實現在低溫下為透明態、高溫下變為藍色的狀態切換。HIP熱致變色薄膜展現出優異的太陽調制能力（ΔT???高達30.5%）與可見光透過率（T???高達87.7%），其τ_c可通過調控濕度靈活控制在25–42?°C之間，且變色與退色時間分別僅約347 s與792 s。這些特性使得HIPSW能夠在自然環境條件下輕松激活，實地測試表明其可動態阻隔太陽熱輻射，有效降低表面溫度約10?°C。此外，HIP薄膜在200次加熱-冷卻循環及120天高濕環境測試后仍保持穩定性能，具備良好的長期耐久性。建筑模擬結果顯示，HIPSW的最可能節能率為11.4%，與Low-E玻璃復合后可達17.7%。綜上，HIPSW在高太陽輻射區域具有良好的節能效果，展現出成本可控、穩定可靠的優勢，為推動綠色建筑設計和可持續發展提供了新方案。

【原文信息】

Wang Huaiyuan, Lu Yuanwei, Wang Jie, Qi Tao, Tian Xuefeng, Yang Chaowei, Huang Yuming, Wang Meiqi, Zhang Baiqi, Qu Zhibin, Zhou Wei, Sun Fei, Gao Jihui*, and Zhao Guangbo. Hydrated ionic polymer for thermochromic smart windows in buildings. Nature Communications, 2025, 16(1): 6509.

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61776-0