东华大学王宏志、李克睿团队AFM：通过弯曲导电纳米网络均匀化内部电场，增强电致变色纤维的电化学稳定性

近年来，随着智能可穿戴器件的迅速发展，集成了光电功能和一维结构的纤维电子产品也逐渐兴起。其中，电致变色（EC）纤维展示出卓越的光传输、反射和发射调制能力，在电子显示、自适应伪装、视觉感受和热管理等领域的应用前景广阔。然而，EC纤维与现有的平面器件结构完全不同，由于弧形表面的不均匀电场导致其在电致变色过程中出现光电性能严重衰减的现象。尽管一些研究团队通过设计新颖的器件结构以提升EC纤维的光电性能，但还到目前为止还没有研究针对EC纤维电场的均匀化进行设计，通过开发电化学稳定的透明导电电极来解决EC纤维电化学稳定性的问题。

基于此，东华大学王宏志教授与李克睿研究员利用Ag@Au纳米线（AANWs）网络和平行双电极结构构建了一种具有均匀曲面电场和长程电化学稳定的电致变色纤维。得益于纤维电场均匀化抑制紫罗精二聚体的生成和AANWs导电层的抗电化学腐蚀性能，EC纤维表现出优异的电致变色稳定性。独特的AANWs纳米网络与平行双电极结构之间的协同作用使10 m长的EC纤维仍然能够保持快速的切换速度和出色的颜色均匀性。此外，将规模化生产的EC纤维编织成的大面积EC纺织品，展现了在可穿戴显示器、自适应伪装和视觉传感等领域的应用潜力。这项研究也为纤维电池、纤维晶体管、纤维汗液传感器和纤维超级电容器等各种尖端电化学纤维器件的电场均匀化提供了一种通用方法。相关成果以“Homogenizing in-built electric field via curved conductive nanonetworks for electrochromic fibers with enhanced switching stability”为题发表在《Advanced functional materials》上。东华大学的硕士生翟凯悦和博士生范庆超为论文的共同第一作者，该研究获得国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的资助，谨此感谢。

图1. 基于AANWs导电纳米网络的电致变色纤维结构示意图

通过逐层涂覆法制造的具有同轴平行双电极的EC纤维结构（图1）。构建机制是在电解质凝胶层表面均匀的涂覆了一层AANWs纳米网络，为EC纤维构建了一个透明导电层，从而促进了电场在电极周围的均匀分布。连续化生产的EC纤维具有均匀的同轴平行双电极结构和直径（≈0.8 mm），长度达到了数百米。

图2. 电致变色纤维的电致变色性能和电化学稳定性

由于EC纤维表面存在AANWs纳米网络，工作电极和对电极之间形成了均匀的电场（图2）。施加电压时，这种结构可以为电子、电解质离子和紫罗精小分子（PhV²⁺）建立最短的扩散/迁移路径，从而促进最快的迁移速度。相比之下，没有AANWs纳米网的EC纤维的电场集中在工作电极和对电极之间，这导致电子、离子和PhV²⁺聚集在正/负纤维工作电极上。较长的扩散路径和较慢的迁移速度增加了PhV²⁺的切换时间，降低了EC纤维的显色均匀性。

图3. 透明AANWs 纳米网络的电化学稳定的电致变色纤维

EC纤维作为典型电化学器件，在施加电压时电极表面和导电活性层会发生复杂的氧化还原反应（图3）。在EC纤维的颜色切换过程中，Au壳层极大地阻碍了电解质中的离子与AgNWs之间的化学反应，从而有效地保护了AgNWs免受氧化。此外，AANWs纳米网络层还能部分抑制电解质活性层中的离子与平行双电极之间的接触，进一步保护外电极免受氧化。

图4. 电致变色纤维的连续化加工和机械织造

利用定制的逐层涂覆设备连续制造出了超长EC纤维（图4）。通过AANWs纳米网络和平行双电极的协同设计，保证了整个纤维长度上均匀的电子传递、离子扩散和电化学反应活性，EC纤维在10 m的长度下依然保持优异的电致变色性能。此外，使用机械编织机将连续化生产的EC纤维编织成大面积电致变色纺织品，显示出出色的可穿戴性能和电致变色性能（视频1）。

视频1 大面积电致变色纺织品（20 cm×40 cm）