2025年7月15日，该工作以“Hydrated ionic polymer for thermochromic smart windows in buildings”为题发表在《Nature Communications》上。哈尔滨工业大学能源科学与工程学院王怀远为本文第一作者，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院高继慧教授为本文通讯作者。

近年来，全球极端高温事件日趋频繁，室内制冷负荷急剧上升。据统计，建筑运行能耗占全球总能耗的40%以上，其中高达60%的热量交换来自窗户。在建筑节能与可持续发展日益紧迫的背景下，无需外部能源驱动、可随温度自动调节透光性能的热致变色智能窗成为绿色建筑领域的研究热点。

理想的热致变色智能窗应同时具备高可见光透过率（T_lum > 70%）与强太阳能调节能力（ΔT_sol），既可有效调控太阳热量，又能保持良好视野。更关键的是，其转变温度（τ_c）应位于 30–40°C 之间，才能在常规环境温度下实现自动激活。当前主流研究多聚焦于二氧化钒（VO₂）材料，其热致变色源于约 68°C 的金属-绝缘体相变，主要影响红外透过率。虽然通过元素掺杂、缺陷工程与晶粒调控等手段可在一定程度上降低转变温度，但往往以牺牲光谱调控能力或可见光透过率为代价。此外，水凝胶类材料虽然可在约 30.4°C 通过亲疏水相变产生强烈的光散射对比，但其在高温状态下的严重雾度限制了其在部分需要清晰视野场景的实际应用。

许多过渡金属配合物在高低温之间具有显著的光学对比，展现出在热致变色智能窗中的应用潜力。近年来，基于配体交换或固态相变的热致变色配合物体系不断涌现，通常需嵌入聚合物基体中以提升可加工性与稳定性。然而，极性配合物与非极性聚合物间易发生相分离并形成微孔，导致光散射增强、雾度升高，进而损害可视性。同时，空气中的水和氧也可能引起材料的溶解和泄漏，限制其长期稳定性。热致变色的本质在于金属离子配位构型的转变，尤其是八面体与四面体（或平面方形）结构之间的可逆切换。研究表明，这种结构变化可由水分子的吸附与脱附驱动。因此，基于可逆水合/脱水机制构建的热致变色系统，兼具良好的光学性能与结构稳定性，是实现高性能智能窗的有力方案。

【研究出发点】

（1）材料合成：构建了一种结构简单、均相透明的水合离子聚合物（HIP）热致变色薄膜，实现高光透过率（87.7%）与显著太阳调节能力（30.5%）的协同表现，且通过调控湿度可将τ_c灵活调节于25–42 °C之间。

（2）机制揭示：结合原位变温谱学分析、电子-磁性表征与热响应行为测试等多维手段，系统解析了HIP热致变色过程中Ni²⁺配位构型在水合/脱水状态下的动态重构机制，明确了结构转变与光学响应之间的因果联系。

（3）测试评估：通过实地测试与建筑能耗模拟，验证了HIP智能窗（HIPSW）在自然环境下可实现自发激活，动态调控太阳热输入，展现出其在绿色建筑中的广泛应用前景。

【图文解析】

HIP热致变色薄膜采用刮涂法制备，室温下透明，升温至80 °C时逐渐变为深蓝色，整个过程中无明显雾度，归因于其致密均匀的无孔结构，有效抑制光散射。变色源于Ni²⁺在低温八面体与高温四面体配位结构之间的可逆重构。光谱测试显示，该薄膜在可见光（600–800 nm）与近红外（1300–1400 nm）波段均具有显著的调控能力，冷/热态下的T_lum为87.2%/31.0%，T_sol为81.5%/51.4%，对应ΔT_lum与ΔT_sol分别达56.2%与30.1%。优异的光学调控性能得益于其调控波段与太阳能谱及人眼光谱灵敏区域的高度匹配。与已有热致变色系统对比，该材料在透光性与调光能力方面均实现显著突破。

图1 HIP薄膜的水合-脱水变色机理及热致变色调光性能展示

如前所述，水蒸气在HIP热致变色过程中发挥关键作用。通过对加热着色样品分别置于空气与真空中对比实验发现，空气中样品在1小时内褪色为透明，而真空条件下仍保持着色状态，直接验证了水的参与。热重（TGA）与差示扫描量热（DSC）测试进一步揭示出升温过程中明显的失重与吸热特征，对应材料的脱水行为。XRD分析显示水合/脱水过程中晶格间距发生显著变化，证实了配位结构重构。FTIR光谱表明，HIP在20 °C下具有明显的–OH伸缩振动峰（3365.2 cm^–1），加热至60 °C后该峰几乎消失，冷却后再次出现，表明水分子可逆地脱附与重新配位。吸收光谱结果显示：在20 °C时，HIP表现出典型的八面体Ni²⁺配位结构吸收特征，与NiCl₂水溶液一致；在60 °C时则转变为四面体NiCl₄^2–构型，对应吸收峰明显蓝移，表明Cl^–主导的配位较弱。EPR测试进一步发现，脱水态信号强于水合态，说明其低对称性结构易于激发顺磁响应；磁化率测试亦表明脱水态存在低自旋物种，推测为畸变四面体构型。综上结果表明，HIP的热致变色行为源于Ni²⁺在水合态（透明八面体）与脱水态（吸光四面体）之间的可逆配位构型重构，该过程实现了对可见光与近红外区的强吸收调控，是材料变色响应的本征机制。

图2 HIP热致变色薄膜的结构特征及配位重构机制示意

为满足实际应用对低转变温度和快速响应速度的需求，构建了可控温湿环境的原位光谱测试平台，用于监测HIP热致变色薄膜在不同湿度与温度下的光学响应。结果表明：着色过程对湿度不敏感，约400–500 s内完成；而褪色过程则明显受湿度影响，在80% RH下约为554 s，但在20% RH下延长至11489 s，反映低湿条件下水分子吸附速率受限。不同升温速率实验显示，较慢的加热（0.2 °C/min）有助于降低τ_c并减小迟滞宽度。湿度变化也影响转变温度，80% RH下加/冷过程τ_c为44.6/39.0 °C，而20% RH下降至28.9/21.4 °C，说明高湿抑制脱水过程。基于Clausius-Clapeyron关系，建立了τ_c与水蒸气压的定量关系，支持通过调控内部湿度定制τ_c。在太阳模拟实验中，HIP薄膜可在自然阳光条件下于1小时内自发变色，表面温度升至60.8 °C，显著低于清洁玻璃的入射温度（65.7 °C），验证其在室温下可由环境热激活，具备实际应用可行性。

图3 HIP热致变色薄膜的湿度调控转变行为与模拟阳光下的热响应性能

为了验证HIP热致变色薄膜的真实隔热性能，在哈尔滨开展实地测试，将HIP封装于双层玻璃中构建HIP智能窗（HIPSW），并通过添加CaCl₂稳定内部湿度约为40%。实地测试表明，在阳光直射条件下，HIPSW表面温度可升至54.1 °C，而内部空间温度比普通玻璃低近10 °C，展现出显著的降温效果。进一步借助恒温舱模拟空调工况测试发现，HIPSW能够有效降低太阳直射热负荷，使得空调能耗降低超过30%。在20 °C、40% RH条件下的200次热循环测试和持续120天高湿度环境下，HIPSW依然保持86.9%的高透光率与30%的太阳调制能力，转变温度稳定在36 °C/30 °C上下波动不超过2 °C，且无明显形貌变化。此外，在模拟2年UV老化后，透光率仅下降2.2%，调光性能基本无衰减，验证了HIP薄膜在实际应用中的耐久性与可靠性。

图4 HIPSW的户外隔热性能和循环性能

为进一步评估HIPSW的节能潜力，研究基于EnergyPlus对10层办公建筑进行了全年能耗模拟。结果显示，HIPSW在全球范围内最高可实现21%的能耗降低，尤其在中纬度和湿热气候区表现出稳定的节能优势。通过对1623个城市的HDD/CDD气候分类分析发现，相比Solar film在热带地区的局部优越性与Low-E玻璃在寒带的加热负荷削减效果，HIPSW在大多数区域均表现出温和而均衡的节能效应，其最概然节能率为11.4%。进一步将HIPSW与Low-E玻璃复合构建LHIPSW后，在暖寒地区节能率提升至17.7%。以北京为代表分析不同窗型节能机制发现，HIPSW兼顾降冷负荷与控热损的能力，而LHIPSW进一步实现夏季抑制太阳辐射与冬季增强长波保温的协同，优化全年负荷匹配。此外，HIPSW在大尺寸制备、成本控制及生物安全性方面也展现出良好前景，进一步验证了其在建筑节能领域的广泛适用性与工程化潜力。

图5 HIPSW的节能性能评估

【总结与展望】

本研究展示了一种基于水合离子聚合物[(C₂H₅)₂NH₂]₂NiCl₄@PVP的热致变色智能窗，旨在调控太阳辐射并提升建筑能效。该材料的热致变色行为源于Ni²⁺离子在吸脱水过程中可逆地在八面体与四面体配位结构之间转变，实现在低温下为透明态、高温下变为蓝色的状态切换。HIP热致变色薄膜展现出优异的太阳调制能力（ΔTₛₒₗ高达30.5%）与可见光透过率（Tₗᵤₘ高达87.7%），其τ_c可通过调控湿度灵活控制在25–42 °C之间，且变色与退色时间分别仅约347 s与792 s。这些特性使得HIPSW能够在自然环境条件下轻松激活，实地测试表明其可动态阻隔太阳热辐射，有效降低表面温度约10 °C。此外，HIP薄膜在200次加热-冷却循环及120天高湿环境测试后仍保持稳定性能，具备良好的长期耐久性。建筑模拟结果显示，HIPSW的最可能节能率为11.4%，与Low-E玻璃复合后可达17.7%。综上，HIPSW在高太阳辐射区域具有良好的节能效果，展现出成本可控、稳定可靠的优势，为推动绿色建筑设计和可持续发展提供了新方案。

【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