建筑能耗占社会一次能源消耗的30%，且这一比值正在逐渐增加。窗户作为建筑室内外能量交换的主要载体，是建筑智能节能化中不能忽视的重要一环。传统透明玻璃窗户和窗帘等光热调节装置，因其自身局限性已不能满足当今人们的对照明和制冷/暖的双重动态管理要求。双波段电致变色智能窗(DESW)是近年来发展起来的新型节能窗户，其可以选择性的独立控制太阳光中的近红外热和可见光光的透射率，有望大幅度提高建筑能效。然而，迄今为止所报道的大多数DESW都是由复杂的复合材料或者具有等离子体性质的纳米晶所制成。这都需要精细设计和集成材料的组分，来分级调控智能窗的等离子体和极化子电致变色过程，从而实现阳光辐射的光/热分区调控。进一步发展简单便捷的高性能DESW制备技术，将有利于推动绿色节能建筑的发展，助力实现“碳减排”和“碳中和”。

在本工作中，使用溶胶凝胶法合成制备多孔掺钛氧化钨薄膜，其中使用0和3 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)发泡剂的样品分别记作W0和W3。图1(a)中W0和W3薄膜的X射线粉末衍射(XRD)谱图显示二者均为立方氧化钨。图1(b)所示的W 4f的XPS光谱显示二者内部以W⁶⁺为主，并均存在少量W⁵⁺。同时，W3膜中W⁵⁺的含量略高于W0膜，这可以解释为PVP碳化后在退火过程中提供了还原性气氛。图1(c)中O 1s的XPS谱可分为羟基氧(531.2 eV)和晶格氧(530.5 eV)，其中羟基氧通常对应于晶格中的氧缺陷。W3膜中的羟基氧含量高于W0膜，说明PVP的参与使得膜中产生了更多的氧缺陷。图1(d和e)显示了W0和W3薄膜的表面形貌，W0为致密薄膜而W3表面则显示出大量的纳米孔道结构。图1(f)为W3薄膜的截面形貌，薄膜的平均厚度约为283 nm。以上结果表明，在溶胶-凝胶法制备氧化钨薄膜时加入PVP发泡剂可以控制薄膜的微观形貌和结构，并产生氧空位增加自由电子浓度，这有利于双波段电致变色的实现。

图2(a和b)显示当施加-0.3 V偏压时，在1200 nm处，W0和W3薄膜的光调制范围分别为5%和65%，存在巨大差异。为了揭示薄膜在近红外区域的电致变色机理，使用大尺寸阳离子(TBA⁺)电解质测量了W0和W3薄膜的光学透过率。TBA⁺由于体积大，难以嵌入氧化钨晶格中，因此在整个电致变色过程中只发生了表面电容吸附电化学过程。如图2(c)所示，与W0膜相比，W3膜具有较高的近红外调制范围，说明W3薄膜在变色过程中产生了更强的表面电容吸附和等离子体电致变色。图2(d)展示了W0和W3膜的循环伏安(CV)曲线。在-0.5至-0.6 V范围内，两种样品均存在明显的氧化还原峰，对应于Li⁺嵌入氧化钨晶格中其诱导了晶格极化吸收并导致可见区域的光谱调制。从CV曲线上可以看出，W3膜的电流密度高于W0膜，说明W3膜具有更高的电化学活性。图2(e和f)显示了不同扫描速率下W0和W3薄膜的电容贡献和扩散控制贡献的比值。发现在所有扫描速率下，W3膜的表面电容贡献均高于W0膜，说明PVP的加入提高了薄膜的等离子体电致变色能力。

图3(a)展示了W3薄膜具有优异的太阳光热调节能力，经过计算可知，在冷(-0.3 V)模式下薄膜仍可以保证可见光区域75.8%的高光学透过率，同时阻挡67.6%的近红外光。图3(b和c)则显示W3薄膜能够快速在各个工作模式之间切换，其中亮(1.5 V)和暗(-1.0 V)模式之间切换时间分别为3.3和25 s，亮(1.5 V)和凉(-0.3 V)模式之间切换时间分别为6和2.1 s。图3(d)显示W3薄膜在633 nm和1200 nm处有着高达114.9和420.3 cm² C^-1的着色效率，利于进一步节能。图3(e)显示W3薄膜在各个工作模式下可开路工作1小时下仍能良好地继续工作，而不需要使用外部供电来保持工作。图3(f)显示W3薄膜在1000次循环后，仍能够保持双波段选择特性，有着良好的循环稳定性。

图3. (a) W3薄膜在亮(1.5 V)、凉(-0.3 V)和暗(-1.0 V)模式下的太阳辐照度谱图。(b、c) W3薄膜在1.5 V/-1.0 V偏压下633 nm处和1.5 V/-0.3 V偏压下1200 nm处的实时透射光谱。(d)W3薄膜在 633 nm和1200 nm处的着色效率。(e) W3薄膜在亮(1.5 V)、凉(-0.3 V)和暗(-1.0 V)模式下保持开路1 h内633 nm和1200 nm处透光率的变化。(f)循环1000次前后，W3薄在亮(1.5 V)、凉(-0.3 V)和暗(-1.0 V)模式下光学透光率变化。

基于上述W3薄膜制备了一个5×5 cm² 的FTO/LiClO₄/W3薄膜/FTO结构器件，用于演示其双波段调制能力。图4(a)展示了器件在不同工作电压下的光学透过率，其表现出了与薄膜相似的双波段电致变色现象。当偏压达到3.5 V、-3.5 V和-4.0 V左右时，器件切换到“亮”、“凉”和“暗”工作模式，对应的照片如图5(b-d)所示。需要特别指出的是，由于缺乏离子存储层，器件的工作电压高于对应的薄膜。为了直观地展示阳光的双波段电致变色调制，我们拍摄了近红外光源下器件在“亮”、“凉”和“暗”模式下的数码照片，如图5(e-g)所示。可以观察到，与器件在“亮”模式下的透明状态相比，器件在“凉”和“暗”模式下遮挡了大部分近红外光，呈现出黑色状态。图5(h)所示的装置用来模拟器件对室内温度的调制。上面是一个AM 1.5太阳光模拟器，中间是一个被DESW完全覆盖的3×3 cm²孔的板，底部是黑色纺织物。当太阳模拟器打开时，光线将穿过DESW和洞，照射在下面的黑色吸热纺织物上。由图5(i-k)可知，当AM 1.5太阳光模拟器照射相同时间时，黑色纺织物在器件的“亮”、“凉”和“暗”模式下的温度分别为48.4、28.0和24.6 ℃。这些均表明该器件拥有这良好的太阳光热独立动态调制能力。

图4. (a)器件在不同电压(3.5 V至-4.0 V)下的光学透过率。在自然光下，器件处于亮(b)、冷(c)和暗(d)模式下的数码照片。在近红外光下，器件处于亮(e)，凉(f)和暗(g)模式下的数码照片。(h)太阳照射建筑室内的模拟装置。在AM 1.5太阳光模拟器照射同样时间后，器件处于亮(i)、凉(j)和暗(k)模式下的红外热成像图及对应温度。

作者报道了一种简单有效的溶胶-凝胶策略，使用发泡剂制备多孔掺钛氧化钨薄膜，以实现双波段电致变色的高性能。研究发现，在薄膜制备过程中引入发泡剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)可提高薄膜的比表面积和自由载流子浓度，增强薄膜对近红外电致变色的独立调节能力。同时，微量Ti⁴⁺的引入避免了氧化钨在电致变色过程中的反复晶格畸变，提高了氧化钨的稳定性。最优薄膜显示出了优异的双波段电致变色性能，包括高的光调制，高的着色效率，快的响应时间，良好的双稳态以及循环稳定性。此外，由溶胶-凝胶薄膜制作的双波段电致变色器件也验证了其对太阳光中光和热的有效管控。与传统要求苛刻、繁琐复杂的合成制备工艺相比，该研究中报道的方法在高性能双波段电致变色中展现了巨大的竞争力，有利于节能建筑的快速发展。