本文研究了通过可逆金属电沉积（reversible metal electrodeposition，RME）策略调控聚苯胺（polyaniline，PANI）薄膜，从而开发具有三模式自适应辐射热调控功能的红外电致变色器件。该研究由哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所的刘东奇、张雷鹏、李垚等人，联合哈尔滨工业大学化工与化学学院、东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室以及苏州实验室的研究人员共同完成。论文发表于Chemical Engineering Journal，于2025年11月14日在线发表。

研究的学术背景在于自适应红外辐射管理与自适应伪装对电致变色系统提出了超快切换动力学和宽红外发射率可调性的双重要求。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的热辐射强度与其表面发射率和温度的四次方成正比，因此通过调节表面发射率可以实现对热辐射的有效控制。在众多可变发射率材料中，聚苯胺因其较高的发射率调节能力、简单的制备工艺和较低的成本而受到广泛关注。然而，现有聚苯胺基电致变色器件在实际应用中仍面临红外发射率调制范围有限和响应速度慢的问题，这主要源于聚苯胺本身电导率较低、载流子传输路径效率不高以及氧化还原转变不完全。已有研究通过分子相互作用、微观结构优化和元素掺杂等手段对聚苯胺功能层进行改性，取得了一定的进展，但其红外调节范围和响应速度仍难以满足自适应伪装的应用需求。

针对上述问题，本研究提出了一种利用可逆金属电沉积过程对聚苯胺薄膜进行原位银沉积/溶解的新策略。研究首先通过密度泛函理论计算比较了原始聚苯胺与经过银可逆电沉积过程后的聚苯胺的前线分子轨道和静电势分布。结果表明，银的可逆电沉积过程显著降低了聚苯胺的最高占据分子轨道与最低未占据分子轨道之间的能隙，提高了电子转移能力和氧化还原活性；同时，银嵌入后的聚苯胺表现出更高且更不均匀的静电势分布，有利于电荷离域和载流子迁移。在实验层面，研究者分别在多孔尼龙66柔性基底上沉积了50纳米厚的银纳米颗粒和金纳米颗粒，并在其上通过超声喷涂制备了相同厚度的聚苯胺层，得到了银/聚苯胺薄膜和金/聚苯胺薄膜。循环伏安测试表明，银/聚苯胺薄膜的面积比金/聚苯胺薄膜大13.2%，且其还原峰电位更正，说明银的可逆电沉积过程贡献了额外的法拉第容量。通过计算，聚苯胺还原过程中21.38%的总电荷来源于银的可逆电沉积过程。X射线光电子能谱分析证实了银在氧化态下以银离子形式存在，在还原态下以金属银形式存在，验证了银与银离子在聚苯胺氧化还原循环中的可逆转变。氮1s谱分析表明，银/聚苯胺薄膜在还原态下质子化胺和质子化亚胺的比例显著低于金/聚苯胺薄膜，说明银的嵌入促进了聚苯胺更完全的还原。高分辨透射电子显微镜图像显示嵌入的银颗粒具有清晰的面心立方晶格条纹，晶面间距为0.24纳米，对应银的（111）晶面。这些银颗粒尺寸主要分布在4至6纳米范围内。基于上述机制，银/聚苯胺薄膜在2.5至25微米波段实现了破纪录的红外发射率调制范围（Δε = 0.62），响应时间达到着色0.68秒、褪色0.57秒。

在电极结构优化方面，研究者受叶片叶脉网络结构的启发，设计了由高长径比银纳米线作为“叶脉”、银纳米颗粒作为“叶肉”的嵌入式导电网络。银纳米线网络为银纳米颗粒提供机械支撑，使电极能够承受反复弯曲而不失效。透射电子显微镜和能量色散X射线元素分布图证实了银在电极中的均匀分布。与单纯的银纳米颗粒电极相比，优化后的银（纳米颗粒/纳米线）电极的平均电阻降低了38%。经过20000次弯曲循环后，银纳米颗粒电极的电阻增加了27.6%，而优化电极的电阻仅增加2.6%，表现出优异的机械耐久性。扫描电子显微镜图像进一步证实了优化电极在长期弯曲后的结构完整性。

在器件构建与性能方面，研究者制备了具有可见-红外双波段三模式自适应伪装能力的红外电致变色器件。该器件在不同电压下可呈现林地、沙漠和雪地三种典型环境所需的光学状态，并具备20.5摄氏度的红外热辐射调节能力。其CIE 1976 L*a*b*坐标图和可见光谱显示了不同电压状态下的颜色和反射率变化。该器件在8至14微米波段的红外发射率调制值达到0.54，为目前报道的聚苯胺基红外电致变色器件中的最高值。在经过500次氧化还原循环后，器件的最大电流密度未出现显著衰减。在加速紫外老化测试中，器件保持了初始发射率调制值的97.4%。在零下10摄氏度、25摄氏度和40摄氏度三种温度下，器件的循环伏安曲线、红外发射率曲线和响应时间变化很小，表明温度对其离子传输速率和聚苯胺氧化还原动力学影响有限。经过20000次弯曲循环后，器件在8至14微米波段的发射率调制值仍保持在0.52，为初始值的96.9%。此外，器件在断电120分钟后仍能保持80.3%的发射率调制值，显示出良好的光学记忆性能。

在可扩展红外电致变色纤维方面，研究者通过连续制备工艺制造了米级长度的红外电致变色纤维。该纤维同样具有三模式可见-红外双波段自适应伪装能力，并且在一米长度范围内表现出均匀的颜色和功能一致性。电化学阻抗谱测试表明，纤维内阻随长度增加而降低并趋于稳定，保证了长距离的有效控制。红外热成像图证实了纤维在不同状态下具有均匀的长程热调节能力，温差超过20摄氏度。利用梭织技术，这些纤维被成功织造成35厘米×15厘米的大面积透气纺织品。该纺织品表现出优异的透气性和透湿性，保证了长时间佩戴的舒适性。

本研究的结论是，通过可逆金属电沉积策略对聚苯胺进行工程化改性，可以显著提高其载流子迁移能力、电导率和氧化还原程度，从而获得具有高红外发射率调制范围和超快响应的聚苯胺薄膜。所构建的可穿戴柔性红外电致变色器件兼具优异的机械稳定性、可见-红外双波段三模式动态调制能力以及环境适应性伪装功能。此外，通过连续制备工艺可实现米级红外电致变色纤维的规模化生产，并进一步集成到大面积透气纺织品中。该研究为开发高性能、可穿戴的红外电致变色器件和纤维提供了通用策略，在节能热管理、自适应伪装和多光谱调制领域具有广阔的应用前景。

本研究的亮点在于：首次将可逆金属电沉积过程用于聚苯胺薄膜的原位工程化改性，通过银的动态沉积与溶解在聚苯胺基体中形成导电网络和额外氧化还原活性组分，实现了聚苯胺红外电致变色性能的显著提升；所报道的2.5至25微米波段发射率调制值0.62和响应时间0.68秒/0.57秒均为目前聚苯胺基材料中的最佳性能；受叶片结构启发的银纳米线/银纳米颗粒复合电极设计大幅提高了器件的机械耐久性；三模式可见-红外双波段调制能力使器件能够在林地、沙漠和雪地三种典型环境中实现全天候自适应伪装。此外，研究还展示了从薄膜器件到米级纤维和大面积纺织品的规模化制备路径，为实际穿戴应用提供了可行方案。