针对这一挑战，芝加哥大学徐伯均助理教授课题组开发出一种创新的电致变色材料与器件系统，通过脉冲电沉积技术、非晶金属合金以及缺陷活化的单层石墨烯电极，成功实现了在"太阳能加热"与"亚环境辐射制冷"两种模式之间的可逆、非易失性切换。该器件在制冷模式下，太阳能吸收率低至7.99%，热发射率高达93.58%，可在日光下实现低于环境温度的被动制冷；而在加热模式下，其太阳能吸收率可提升至47.7%，同时热发射率降至20.14%，有效捕获太阳能。建筑能耗模拟显示，该技术在美国特定气候区每年可节省高达73.7 MBtu的能耗，为建筑节能和脱碳提供了极具潜力的解决方案。相关论文以“Electrochromic Adaptive Solar Heater and Sub-Ambient Passive Daytime Radiative Cooler”为题，发表在Advanced Materials上。

图1 | 电致变色自适应太阳能加热器与辐射制冷器的示意图。 

为了在去除会带来光学损耗的金属网格和铂（Pt）纳米颗粒种子层的同时，保证在单层石墨烯上实现均匀、可逆的金属电沉积，研究团队巧妙地引入了脉冲电沉积技术（图2A）。该技术包含三个步骤：第一步通过短暂的高电压脉冲（-3V）克服了石墨烯面内电阻导致的电势降，使Cu-Bi纳米颗粒在整个电极表面（包括中心区域）实现均匀成核（图2C, D），而传统恒压沉积（-1V）则会导致金属颗粒集中在电极边缘（图2E, F）；第二步电压降至-1V进行生长阶段，随着沉积电荷密度增加，纳米颗粒逐渐长大并形成连续薄膜（图2G）；第三步撤去电压，由于沉积态（Cu-Bi固相）在开路电位下不会被电解液自发溶解，该器件展现出非易失性，即撤去外加电压后，光学状态依然能够稳定保持。

图2 | 脉冲电沉积过程。 (A) 脉冲电沉积过程的电压曲线。 (B) 每一步材料生长的示意图。 (C-F) 扫描电子显微镜图像，显示在不同电压下，石墨烯电极不同位置上的金属沉积情况。 (C) 和 (D) 对应脉冲沉积，(E) 和 (F) 对应非脉冲沉积。 (G) 扫描电镜图像，显示不同电荷密度下的金属沉积。 

对沉积金属的微观结构与光学特性进行深入研究时，团队发现了Cu-Bi合金的独到之处。与纯铜电沉积中颗粒合并会导致太阳吸收率下降不同，Cu-Bi合金的太阳吸收率随沉积量增加而持续上升直至饱和（图3B）。X射线衍射与透射电镜表征揭示，这是由于Cu和Bi的不混溶性抑制了结晶过程，加之电沉积过程本身是从离子态快速凝固，两者共同促进了由约50 nm非晶纳米簇组成的薄膜形成（图3C, G）。这种非晶结构具有更低的电导率，从而表现出更强的光捕获能力。进一步的有限元模拟证实，与单个大颗粒相比，由小纳米颗粒组成的团簇结构能激发更强的局域等离子体共振，显著增强对太阳光的吸收（图3H-J）。这一发现揭示了非晶金属纳米簇在太阳能热转换应用中的巨大潜力。

图3 | 非晶Cu-Bi纳米颗粒的表征与光学性能。 (A) 非晶Cu-Bi纳米颗粒电沉积过程的示意图。 (B) 使用Cu和Cu-Bi电解质的电致变色器件太阳能吸收率的比较。 (C, D) 沉积的Cu-Bi纳米颗粒的截面扫描透射电镜图像。 (E–G) Cu-Bi纳米颗粒的能谱面分布图和电子衍射图谱。 (H) 不同材料在不同形貌下的模拟太阳能吸收率，突显了Cu-Bi纳米簇的光学优势。 (I, J) 在λ = 550 nm下，单个Bi纳米颗粒和Bi纳米颗粒簇周围的模拟电场分布。具体而言，(J)中第一张图显示的是沿z轴中间位置的xy平面截面，而第二张图展示了一系列不同xy平面上的截面视图。红色箭头表示电磁波的传播方向。 

为实现高度均匀的金属沉积，电极衬底也至关重要。研究团队发现，通过热压转移和氧化刻蚀工艺在单层石墨烯上引入的O-C=O官能团缺陷，可作为理想的金属成核位点（图4A, B）。XPS分析证实了这些缺陷的存在。与原始石墨烯相比，缺陷活化的石墨烯表面能够实现更致密、更均匀的金属沉积（图4C, D），有效避免了因石墨烯化学惰性导致的微米级不均匀性，同时其面电阻仍能保持在可接受范围内。这一策略为在超薄碳基底上实现高质量金属沉积提供了新思路。

图4 | 缺陷活化的石墨烯用于增强电沉积。 (A) 原始石墨烯和 (B) 缺陷活化石墨烯的高分辨X射线光电子能谱（C 1s峰）分析。 (C) 原始石墨烯和 (D) 缺陷活化石墨烯上金属沉积的扫描电镜图像。 

基于上述技术突破，团队组装了完整的电致变色器件，并对其光学性能进行了全面表征（图5A）。该器件在制冷与加热两种稳态下，其光谱特性在太阳光谱和中红外波段均呈现显著差异。循环稳定性测试表明，器件在1000次电化学开关循环后仍能保持稳定的光学调谐性能（图5B），展示了其良好的耐用性。更为重要的是，器件的非易失性得到了直接验证：一旦通过短暂施加电压达到特定光学状态后，即使切断电源，其太阳能吸收率和热发射率也能长时间维持不变（图5C），这极大地降低了实际应用中的能耗。

为了验证器件的实际热管理效果，研究团队在美国加利福尼亚州斯坦福大学进行了室外实地测试（图5D-H）。他们将处于冷却和加热两种状态的器件置于日光下。实测数据显示（图5H），在相似的太阳辐射强度下，处于制冷模式的器件温度显著低于环境气温，成功实现了亚环境辐射制冷；而处于加热模式的器件温度则明显高于环境气温。这一组直观的室外数据强有力地证明了该器件按需切换制冷与加热模式的卓越能力。

图5 | 太阳光谱与中红外光谱的协同电化学调谐。 (A) 紫外-可见光和傅里叶变换红外光谱测量，展示了器件在加热和冷却状态下的光学性能。 (B) 耐久性测试，展示了器件在1000次循环中的电化学调谐稳定性。 (C) 太阳能吸收率和热发射率的非易失性与动态调谐。在器件达到加热或冷却状态后，外加电压被关闭，无需进一步电力输入即可维持该状态。 (D, E) 室外测试装置的示意图和照片。 (F) 斯坦福大学电气工程大楼屋顶室外测试地点的照片。 (G, H) 在冷却和加热模式下测得的太阳光强度和器件温度。 

最后，研究团队利用EnergyPlus软件对美国15个典型气候城市的建筑进行了全年逐时能耗模拟（图6A）。模拟中分别计算了建筑全年始终处于加热模式发射率状态和始终处于冷却模式发射率状态下的HVAC能耗，然后逐时取两者中的较低值，以此估算理想动态控制下的最低能耗。结果表明（图6B, D），该电致变色智能窗在全年平均可节省73.69 MBtu的HVAC能耗，在炎热气候区（如迈阿密、休斯顿）的节能量尤为显著，主要得益于其高效的辐射制冷能力。同时，基于2024年美国电网碳排放因子计算，该技术也展现出可观的二氧化碳减排潜力（图6E, F），为建筑部门的低碳转型提供了强有力的数据支撑。

图6 | 节能潜力。 (A) 配备所开发电致变色器件的节能建筑示意图，展示了其用于加热和冷却的双模功能。 (B) 芝加哥一栋中型公寓楼的全年运行暖通空调负荷。 (C) 美国节能地图，突出显示了该器件在减少暖通空调能耗方面的区域有效性。 (D) 在美国部分选定城市实现的运行暖通空调节能及相应的百分比降幅。 (E) 美国部分选定城市的全年二氧化碳减排量。 (F) 美国全年二氧化碳减排地图。

总而言之，这项研究通过精巧的材料设计和电化学工程，成功构建了一个集高对比度太阳能调控与中红外调控于一体的电致变色平台，首次在动态电致变色器件中实现了真正的日间亚环境辐射制冷。尽管当前器件在冷却温降、加热态太阳能吸收率以及大面积化（尤其是石墨烯电极的面内电势降问题）方面仍有优化空间，但其非机械、非易失、电化学可切换的特性，为开发智能、零能耗的建筑热管理技术开辟了崭新道路。未来，通过进一步优化材料选择、电化学过程和器件结构，该技术有望成为全球既有建筑节能改造和新型绿色建筑设计的核心方案之一。