本研究由哈尔滨工业大学化工与化学学院的刘文超、赵九蓬等人，以及哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所的张雷鹏、刘东奇、李垚等人共同完成，发表于*Chemical Engineering Journal*第527卷（2026年），文章编号171638。研究团队针对聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）基红外电致变色器件在发射率调制幅度和可见光颜色单一方面的不足，提出以单壁碳纳米管（SWCNTs）二次掺杂结合染料着色的策略，实现了高性能、多色可见的红外电致变色器件，并成功将器件尺寸放大至15×15 cm²。

在学术背景方面，红外电致变色（IR-EC）材料可在外加电压下可逆调控红外波段的光学特性，在智能热管理和自适应红外隐身领域具有重要应用前景。以PEDOT为代表的导电聚合物因具有较大的发射率调制幅度、快速响应和低能耗而备受关注。其中PEDOT:PSS兼具溶液加工性和优异的电学、光学及力学性能，尤其适合先进电致变色应用。然而，PEDOT在电化学还原过程中导电团簇断开，常导致氧化态物种不能被完全还原，从而限制了发射率调制深度；同时PEDOT的可见光颜色仅在深蓝与浅蓝之间变化，功能适应性不足。为解决上述问题，作者提出利用SWCNTs进行二次掺杂，通过SWCNTs在PEDOT:PSS基体中形成逾渗导电网络，并借助两者间的π-π相互作用促进电子离域，从而增强界面电荷转移动力学，使PEDOT在电压切换时可达到更彻底的还原态，拓宽发射率调制范围。此外，通过简单的染料浸渍处理引入颜色叠加效应，扩展器件的可见光颜色变化能力。

在研究流程上，作者首先通过超声波喷涂法制备了不同SWCNTs掺杂比例（2%、4%、6%、8%、10%）的PEDOT:PSS/SWCNTs复合薄膜。喷涂过程中基板温度保持100 °C以促进溶剂挥发；喷涂后薄膜在二甲基亚砜（DMSO）中浸泡12小时，再经乙醇和去离子水冲洗，并在70 °C真空干燥。所得样品分别标记为P/S-2%、P/S-4%等。其次，采用Zeta电位、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）等手段对薄膜的分散稳定性、形貌、结构和界面相互作用进行系统表征。随后，利用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）研究复合薄膜的电化学行为，并结合密度泛函理论（DFT）计算分析了PEDOT与SWCNTs之间的π-π相互作用及电荷转移机制。基于最佳掺杂比例（4%），对薄膜进行商用黄色或红色染料浸渍处理，实现可见光颜色可调。最后，以两片染色后的P/S-4%薄膜为前后电极，以浸渍1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）膜为凝胶电解质，以聚乙烯（PE）和聚酯（PET）薄膜为封装层，通过135 °C热压组装成三明治结构电致变色器件，并对器件的光学、电化学、力学和放大性能进行了测试。在数据分析方面，红外发射率根据反射光谱和普朗克公式计算得到，使用Drude模型拟合不同电压下的反射光谱，并通过时域有限差分（FDTD）方法模拟了电磁场分布。

研究结果显示，SWCNTs在PEDOT:PSS中分散均匀，Zeta电位绝对值保持在30 mV以上，表明分散液具有良好的稳定性。XRD图谱中PEDOT链π-π堆叠峰随SWCNTs掺杂量增加而减弱，说明薄膜非晶化程度增加；拉曼光谱中PEDOT的Cα=Cβ对称伸缩振动峰随SWCNTs含量增加发生红移，表明噻吩环由苯式结构向醌式结构转变，电子从PEDOT向SWCNTs转移。XPS C 1s谱中在4%掺杂量下出现π-π卫星峰，且随掺杂量增加峰位从288.7 eV移动至289.9 eV，直接证明了两者之间存在界面π-π相互作用和电荷转移。电化学测试表明，随着SWCNTs含量增加，PEDOT的还原峰正向移动，电化学活性增强；EIS拟合得到的电荷转移电阻（Rct）随SWCNTs含量增加而系统性降低，说明界面电荷转移动力学改善。DFT计算进一步揭示PEDOT分子与SWCNTs表面间距约3.4 Å，通过独立梯度模型（IGM）分析确认了π-π弱相互作用的存在，分子静电势（MESP）分析显示PEDOT链上存在不对称电位分布，有利于电子离域；PEDOT/SWCNTs复合体系的HOMO-LUMO能隙由孤立PEDOT的2.73 eV降低至0.94 eV，从理论上解释了界面电荷转移增强的原因。红外反射光谱测试显示，P/S-4%薄膜在还原态下的反射率平台显著低于原始PEDOT:PSS薄膜，其在3–5 μm和8–14 μm波段的发射率调制幅度（Δε）分别达到0.32和0.40，优于其他掺杂比例和氧化石墨烯（GO）掺杂对比样品。通过Cl 2p谱和拉曼光谱拟合进一步证实了P/S-4%薄膜还原态下ClO₄⁻脱掺杂更完全，苯式结构比例更高。染料着色后的P/S-4%薄膜可在施加电压下实现黄绿色与绿色之间的可逆切换，且经沸水浸泡2小时后颜色无明显变化，表明染料与复合薄膜之间存在π-π堆叠和氢键协同作用，附着稳定性良好。最终组装的红外电致变色器件在3–5 μm和8–14 μm波段的Δε分别为0.27和0.35，着色和褪色时间均为2.7秒，经过5000次循环后仍能保持初始发射率调制深度的76%，经过400次弯曲循环后8–14 μm波段的Δε仍保持在0.3左右。通过引入辅助银网电极，研究团队成功制备了15×15 cm²的大面积器件，器件在不同位置的反射光谱差异极小，显示出良好的均匀性；在50 °C热板上，该大面积器件可实现平均表面温度降低6.9 °C。

本研究的结论表明，SWCNTs二次掺杂结合染料着色是一种可放大的策略，能够显著提升PEDOT:PSS基红外电致变色器件的发射率调制能力，同时赋予其可见光多色可调功能。π-π相互作用驱动的电子离域与SWCNTs导电网络的协同作用是实现更深程度PEDOT还原和更优电化学性能的关键机制。该工作不仅在科学层面上深化了对导电聚合物/碳纳米管界面电荷转移机制的理解，也在应用层面上为智能热管理和自适应伪装提供了高性能、低成本、可大面积制备的器件方案。研究的亮点在于：首次将SWCNTs作为PEDOT:PSS的二次掺杂剂用于红外电致变色领域，通过实验与DFT计算相结合的方式系统阐明了界面π-π相互作用对电化学和红外发射率调制性能的增强机制；同时利用简单的染料浸渍法突破了PEDOT单一蓝色调的限制，实现了可见光颜色多样化；此外，通过辅助银网电极实现了器件从实验室尺度向大面积应用的跨越，展示了良好的实际应用潜力。