化学与材料科学
化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。
3590篇原创内容
公众号
电致变色技术为光热调控提供了高效手段，其中电解质作为核心组分，直接影响器件的响应速度与稳定性。与液态电解质相比，固态电解质虽具有更高的安全性，但其离子扩散缓慢，导致器件的响应速度受限。为此，本研究提出将PMMA基聚合物电解质与静电纺丝SiO2纳米纤维膜复合的设计策略：以纤维膜为支撑骨架，以纤维膜为支撑骨架，在聚合物基体锂离子传导的基础上，进一步构筑连续的纤维与聚合物界面锂离子传输网络，协同实现高离子电导率与良好机械性能的双重提升。基于该策略，成功制备出无机纳米纤维与聚合物复合的准固态电解质。该电解质具有良好的界面稳定性，与WO3、V2O5电极兼容性良好。基于此电解质的电致变色器件实现了0.96秒着色、0.80秒褪色的快速响应，并具有良好的循环稳定性和断电记忆特性。作为应用验证，两个串联器件成功驱动绿色LED发光，展示了其“储能-释能”功能及微型电源应用潜力。
2026年5月13日，相关研究以An Inorganic Fiber–Polymer Composite-Based Quasi-Solid Electrolyte for High-Performance Electrochromic Devices为题发表在《ACS Nano》上。文章第一作者为清华大学化工系博士后王欣浓，文章通讯作者为张如范副教授。
随着全球能源消耗持续增加，节能与储能技术已成为可持续发展的首要任务。电致变色作为一种有前景的光热调控技术，能够在电刺激下调控太阳光中可见光与近红外辐射的透过与吸收，通过低电压调控光学性能实现可逆的颜色切换与能量转换。目前，多数研究集中于开发新型电致变色材料或优化器件结构。然而，电解质作为器件的核心组成部分，同样至关重要，它承担着离子传导与隔离电极的双重功能。电解质通常分为液态、无机固态和聚合物三种类型。聚合物电解质虽消除了液态电解质泄漏的风险，又改善了无机固态电解质离子电导率过低的问题，但其较高的聚合物含量导致离子电导率显著降低。增塑剂的添加可提高离子电导率，却会牺牲机械强度。因此，如何在聚合物电解质中兼顾高离子电导率与良好机械性能，仍有待进一步探索。为此，向聚合物基体中引入陶瓷氧化物纳米颗粒被视作一种有效的解决策略。无机填料与聚合物界面处的聚合物链构象可发生局部变化，形成独特的离子传导亚结构，从而促进离子更快传输。特别是具有高长径比的纳米填料，能够构建连续的界面网络，延长填料与聚合物之间的界面路径，促进沿纤维与聚合物界面的离子传输，同时有助于实现更均匀的离子分布。
研究出发点
（1）设计了一种无机纳米纤维与PMMA基电解质复合的准固态电解质，兼顾了离子电导率与机械性能；利用SiO2纳米纤维的高长径比构筑三维连续骨架，在纤维与聚合物界面形成高效的锂离子传导网络，实现了快速的锂离子传导。
（2）基于该复合电解质（以WO3和V2O5为电极）的电致变色器件响应速度快、电致变色性能稳定；两个串联器件成功驱动绿色LED发光，验证了其在储能与供能方面的应用潜力。
图文解析
本研究报道了一种无机纤维与聚合物电解质复合准固态电解质（简称“复合电解质”）的制备方法及其微观机制，如图1所示。该电解质由具有三维网络结构的静电纺丝SiO2纳米纤维膜与PMMA基聚合物电解质复合而成。在该体系中，SiO2纳米纤维膜骨架为PMMA基电解质提供了结构支撑与机械稳定性，纳米纤维表面附近的PMMA链构象发生改变，形成有利于锂离子传输的界面区域。与存在泄漏风险的液态电解质及工艺窗口较窄的原位聚合固态电解质相比，本工作所开发的复合电解质展现出显著的综合优势。
图1复合准固态电解质的制备过程及其微观结构示意图
本研究制备的复合电解质，其微观形貌与物化性质如图2所示。SiO2纳米纤维膜具有均匀的三维网络结构，为复合电解质提供离子传输通道和机械支撑骨架。与PMMA基电解质复合后，聚合物充分浸润并包覆纤维网络，形成均匀的互穿结构。SiO2纤维网络不仅增强了电解质的热稳定性和机械强度。与纯PMMA基电解质相比，该复合电解质的结构稳定性和热稳定性均显著提升。同时，复合电解质在可见光区保持了良好的光学透过率。
图2 SiO2纳米纤维膜和复合准固态电解质的形貌与结构表征
本研究对复合电解质的电化学性能及离子传输机制进行了系统表征与模拟，如图3所示。电化学阻抗谱显示，复合电解质的离子电导率显著优于纯PMMA基电解质，且在−20 °C至40 °C的宽温度范围内保持优异性能。密度泛函理论计算与分子动力学模拟进一步揭示了离子传输的微观机制，证实SiO2纤维与PMMA基体协同构建了高效的离子传输网络。该复合电解质展现出优异的离子传输特性，为高性能电致变色器件提供了理想的电解质平台。
图3 复合准固态电解质的电化学性能与模拟计算
本研究对基于复合电解质的电致变色器件进行了系统的性能表征，如图4所示。在不同电压下，器件展现出从透明浅灰色至深蓝色的可逆颜色变化。循环伏安测试表明，该器件在不同扫描速率下均呈现良好的可逆氧化还原特性。器件表现出稳定的着色/褪色切换行为，着色时间和褪色时间分别仅为0.92秒和0.80秒，展现出快速的响应特性。着色效率计算进一步证实了其电荷利用效率。
图4 基于复合准固态电解质的电致变色器件的性能
本研究进一步评估了基于复合电解质的电致变色器件的综合性能与应用潜力，如图5所示。该器件在开路状态下能长时间保持着色状态，展现出优异的断电记忆特性，经长期循环测试仍保持较稳定的光学调制幅度。作为应用验证，两个串联器件成功驱动绿色LED持续发光，展示了该电解质平台在储能与可控释能方面的应用潜力。
图5 基于复合准固态电解质的电致变色器件的综合性能评估与应用演示
本研究通过无机纳米纤维膜与PMMA基电解质复合，开发出一种新型准固态电解质，在宽温度范围内实现了高效离子传输。将该电解质与WO3、V2O5电极组装的电致变色器件，展现出快速响应、独特的断电记忆特性和稳定的循环性能。特别是，两个串联器件成功驱动绿色LED，验证了其在储能-释能方面的应用潜力。该工作为准固态电解质的结构设计提供了新思路，有望推动电致变色技术在智能窗、自供能等领域的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02820
通讯作者介绍
张如范，清华大学化工系长聘副教授、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，Coatings编委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。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、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文150篇。申请发明专利27项；撰写学术专著7部。曾获青山科技奖（2025）、中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、中国石油与化学工业联合会青年创新奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、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）、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。
