电致变色器件由于其色彩多样性、驱动电压低、双稳态特性等优势，而在智能窗、可视性显示器和电子传感系统等领域具有广泛的应用。传统的电致变色材料由于离子传输通道尺寸的限制，主要使用Li⁺等作为嵌入离子，因其有限的资源与高额的成本而限制了其使用空间。使用低成本的嵌入离子实现高性能的电致变色具有非常重要的意义。

   由于钠元素资源相对丰富且成本低廉，基于钠离子(Na⁺)的电化学体系在能源存储领域受到了广泛关注。同时也正是基于钠离子的多方面优势，研究人员也希望将钠离子应用在同样基于氧化还原反应的电致变色器件中去。但是由于Li⁺离子半径明显大于通用的Li⁺离子，导致其在传统电致变色电极如氧化钨中的传输变得缓慢，从而极大地降低了电致变色材料的性能和循环寿命，限制了钠离子电化学体系在电致变色领域的应用。

   我室王宏志研究团队与美国佐治亚理工王刚博士(现美国西北大学博士后)合作，将含有变色基团的有机配体组装成MOF电极，利用该类MOF结构中具有较大尺寸的一维离子通道，实现了钠离子的快速脱嵌，从而使得电致变色电极在Na⁺有机电解液中达到了极高的变色速度和变色效率。相关成果以题为“Ion-Transport Design for High-Performance Na⁺-Based Electrochromics”发表在ACS Nano上。文章的共同第一作者为东华大学李然博士生和李克睿博士(现新加坡国立大学博士后)。

图1. MOF电极的分子结构及在不同电解液中电化学性能和离子传输机制。

    研究团队通过将两种含有不同一维孔道(10 Å vs 33 Å)的MOF电极分别在Al³⁺、Li⁺、Na⁺和TBA⁺基电解液中进行测试，对不同离子半径的插层离子与不同尺寸孔道的MOF之间的作用关系进行了深入的研究。发现对于两种电极，既不是离子半径最小的Al³⁺离子也不是半径最大的TBA⁺离子传输最为迅速。尽管Na⁺离子半径要大于Li⁺离子和Al³⁺离子，却有着最高的离子传输效率。研究团队认为同时有两个重要的因素影响着离子传输：离子与传输路径间的空间位阻和离子与MOF框架上负电基团的静电作用。由于TBA⁺较大半径导致其与孔道间的空间位阻急剧增大，从而传输速率低于Na⁺；相对于Na⁺，Li⁺虽然有较低的空间位阻，但却受到了更强的静电吸引力；Al³⁺由于其+3的化合价而受到强烈的静电作用，从而导致最低的离子传输效率。综上所述，正是由于MOFs独特的结构导致其对不同离子脱嵌具有选择性。

图2. MOF电极在不同电解液中的电致变色性能。

    基于该类具有离子传输选择性的MOF材料，研究团队制备了快速变色，且具有高光调制范围与变色效率和良好的稳定性的钠离子电致变色电极。在此基础上，通过无模板的激光雕刻法刻蚀变色层和电极，成功制备了多彩电致变色显示器件与应用于共享单车的可隐藏智能二维码器件，证明了其在廉价电致变色和物联网电子器件领域的发展潜力。

图3. 基与MOF电极的多彩电致变色器件和应用于共享单车的智能二维码。