文献前沿丨Advanced Materials：具有三大气窗口选择性的多光谱协同电致变色调节器用于全球建筑节能

动态辐射调节因其能够适应不断变化的环境条件已经成为建筑节能的研究热点，但在太阳和整个中远红外波段的协同调制仍然是一个艰巨的挑战，且大部分动态红外发射率调节器集中在第一个(3-5 μm)或第二个(8-13μm)大气窗口，几乎没有将调节范围延伸到第三个窗口(16-25 μm)。为应对上述挑战，本研究开发了多光谱协同电致变色调节器(MSECR)，实现了太阳和中远红外波段的多光谱协同调制，并将红外调节扩展到第三个大气窗口。调节器最大太阳反射率调制ΔRSolar=0.64；在三个大气窗口(3-5、8-13和16-25 μm)内具备选择性、逐级可调性，峰值发射率调制为0.52；在干旱沙漠环境中验证了其有效的热管理，设备的峰值温差达到了5.5 ℃。相关工作以Multispectral Synergistic Electrochromic Regulator With Triple Atmospheric Windows Selectivity for Global Building Energy Saving为题发表在Advanced Materials期刊。

图1为MSECR结构示意图及其在建筑节能领域的应用场景演示，图2为MSECR的热传递过程和具体频谱设计。设计中理论验证了第三大气窗口的辐射制冷作用(贡献高达19.6%)，强调具备第一、第二和第三窗口选择性的多光谱调节器能更好地实现最佳的热管理性能。

图3为晶体WO3的红外调制机理。WO3层对于实现MSECR的红外光谱调制至关重要，其电致变色过程包括锂的嵌入。在漂白态的WO3中，材料会透过大部分可见光，红外透过率占主导地位；而在Li+嵌入后，有色LixWO3中红外反射率增大。MSECR通过Li+嵌入和脱出实现电致变色，进而实现光谱调节。

MSECR的红外选择调制机理和多层膜的纳米光子设计如图4所示。顶部和底部的ITO层起到透明电极的作用，在向ITO顶部电极施加负电压时，Li+被驱动到WO3层，引发电致变色反应，增强红外反射率；向ITO顶部电极施加正电压时，Li+迁移回NiO层，使WO3恢复到其介电状态，MSECR返回到高红外吸收状态。调整WO3和NiO的光学厚度可以调节三个大气窗口的平均红外反射率，设计中确定了最佳厚度范围，在实现三个大气窗口内的动态控制的同时，尽可能保持非大气窗口的低发射率特性。

MSECR的整体性能如图5所示，包括其多光谱调制、电响应特性和长期循环稳定性。在施加3V电压后，MSECR低太阳透过率实现高低切换((平均可见光(TVIS): 5-58%、近红外(TNIR): 2-72%、太阳(Tsolar): 3-63%))，在0.3-2.5 μm之间的平均太阳光谱调制达到60%，7000次循环后可保持66%的原始调制范围。三个大气窗口的发射率可根据电压逐步调节，产生0.27(4.5 μm)、0.43(9.4μm)和0.36(18.5 μm)的峰值发射率调制。

MSECR的室外实验验证和全球建筑能耗模拟如图6所示。相比于静态商用涂料，白色的MSECR在夜间有更好的保温性(2.8℃)，在白天能更好实现冷却降温(5.5℃峰值温差)。同时，MSECR作为一种有源光电调节器，可根据特定气候和环境条件定制开关温度，利用EnergyPlus对理论能耗进行了模拟，年平均节能最高达22.19 MJ/m2，在大规模建筑节能方面表现出巨大的应用前景。

图1 MSECR结构示意图及其在建筑节能领域的应用场景演示。

图2 MSECR的概念和频谱设计。(a)物体表面在理想冷却和加热模式下的传热过程示意图。(b)装有MSECR的建筑物在制冷和供暖模式下的热传递示意图。(c)调节器的理想频谱设计。(d)MSECR在冷却和加热模式下的实际照片。(e)白色MSECR在冷却和加热模式下的光谱曲线。(f)三个选择性高发射率模式和一个广谱高发射率模式的理论冷却效应，两个广谱低发射率模式的理论绝缘/加热效应。(g)四种冷却方式在不同h(0-4 W m−2K−1)下的理论冷却温度极限。(h)忽略非辐射换热的影响，分析了四种冷却方式的理论冷却效果随环境温度的变化。(i)通过(h)获得的三个大气窗口的辐射冷却贡献率。

图3.晶体WO3的红外调制机理。晶态WO3(a)和LixWO3的X射线衍射表征。(c)晶体WO3(b)和LixWO3的HRTEM图像和SAED图样。(d，e)单斜晶系WO3到立方系LixWO3的晶体结构演化示意图。(f)晶态WO3锂化过程中嵌入电荷与电阻的关系。(g)晶体WO3锂化过程中的红外光谱变化；WO3(h)和LixWO3的透过率、吸收率和反射率。(i，j)Li+插层WO3的能带结构演化示意图。

图4 MSECR的红外选择调制机理和多层膜的纳米光子设计。(a)MSECR的工作原理和光路。(b-d)第一/第二/第三大气窗口中WO3和NiO的匹配厚度与平均反射率调制幅度之间的关系。(e)平衡多光谱调制的最佳匹配厚度重叠区。(f)MSECR的扫描电子显微镜横断面图像和测绘结果。(g)MSECR红外光谱反射率的模拟结果与测量结果的比较。(h)不同状态下MSECR在8.4和18.4μm的等效光学导纳轨迹(黑色实线：原始状态，黑色十字符号：原始状态下的层间等效导纳位置；红色虚线：施加偏置状态下的层间等效导纳位置，红圈符号：施加偏置状态下的层间等效导纳位置；a-b-c-d-e-f：ITO-NiO-LiNbO-WO3-ITO的原态光学导纳路径；a-b-c-d-e-f：施加偏置状态下的ITO-NiO-LiNbO-WO3-ITO的光学导纳路径。

图5 MSECR的多光谱协同调制性能。(a)透明的MSECR在其原始、有色和漂白状态下的可见光-近红外光谱透过率。(b)MSECR在550 nm处的透过率与时间的关系曲线。(c)MSECR电化学循环7000次时的透过率变化曲线。(d)彩色和漂白状态下多色MSECR的可见光-近红外光谱反射率。(e)原始状态下多色MSECR的照片。(f)多色MSECR的可见光和近红外光谱平均反射率调制幅度。(g)MSECR在不同电压下的正常光谱发射率。(h)MSECR在三个大气窗口中不同电压下的平均法向发射率调制幅度。(i)不同电压下MSECR的红外热像。红外热像仪的探测范围固定在7.5-13μm (j)。不同时间段的红外光谱法向发射率(取±3 V，600s)。(k)利用红外热像仪进行时间域标绘，得到不同电压下MSECR的平均表观温度响应。(l)MSECR在4.5、9.4和18.5μm处的发射率-时间曲线。

图6 MSECR的室外实验验证和全球建筑能耗模拟。(a)干燥沙漠环境下的热测量设备和真实的室外实验场景示意图。(b)实验装置的照片。(c)在全天(24小时)的冷却和加热模式下对白色MSECR进行室外实验实时温度测量。(d)采暖模式下的白色MSECR、夜间白色油漆和蓝色油漆的室外实验实时温度测量。(e)室外实验实时测量制冷模式下白色MSECR、白天白色油漆和蓝色油漆的温度；白天制冷和加热模式下金属(f)和蓝色(g)MSECR的实时温度测量。(h)11个典型城市的MSECR建筑每年平均节省的暖通空调能耗，这些城市覆盖热带、寒冷和温带地区，具有不同的定制切换温度。(i)跨不同气候区域的MSECR建筑与传统建筑相比的全球暖通空调节能地图。

小结：本研究针对动态辐射制冷要求，设计了一种基于WO3电致变色全薄膜叠层的多光谱调节器，将有效的辐射调制扩展到第三个大气窗口，实现从可见光到中远红外波段的同步多光谱调节，为同步多光谱调节提供了一个单片可调平台，为下一代智能热管理系统铺平了道路。

论文信息：Mei Z, Ding Y, Shi S, Lin B, Wang C, Diao X. Multispectral Synergistic Electrochromic Regulator With Triple Atmospheric Windows Selectivity for Global Building Energy Saving. Advanced Materials, 2026: e74225.

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