建筑和交通领域的绿色低碳转型是实现我国节能减排重大目标、落实国家“双碳”战略的核心所在。据统计，建筑能耗约占全球总能源40%，其中超30%用于保障稳定舒适的室内温度，而有效调节太阳光辐照，可减少照明、供暖和制冷负荷，使建筑平均节能约20%。通过外加电场实现可逆光学调控的电致变色（Electrochromic, EC）玻璃可以有效调节入射光的强度及其热增益，是一种极具前景的节能技术，已在建筑和交通领域实现应用。作为新兴的电致变色材料，共价有机框架（CovalentOrganic Frameworks, COFs）凭借其有序π共轭结构与可调孔道，为电子与离子协同传输提供了理想通道。然而，现有COF体系仍面临电荷迁移受限、离子扩散效率低及掺杂离子利用率不足等问题，亟需通过结构设计实现高效、稳定、多色可调的电致变色响应。

近期，东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室王宏志教授、李克睿研究员团队设计并合成了一种双极性酰亚胺COF（图1），并创新性地利用双极性COF电极构筑了对称式器件，实现了COF基电致变色器件循环稳定性的突破。相关研究以“《具有双极性氧化还原特性的介孔二维共价有机框架电致变色材料》（Redox-bipolar mesoporous two-dimensional covalent organic framework formulti-color electrochromism）”为题发表在学术期刊《科学·前沿》Science Advances（Sci.Adv. 2025, 11,eaea1304）上。

图1 双极性TAAB-NTCDA COF的结构和在电化学应用中的优势

研究团队提出的双极性COF构筑策略设计巧妙，核心在于对构筑单元——TAAB与NTCDA——的精准选择。两者不仅分别作为不同极性掺杂的活性位点，也在分子层面形成了稳定的供体–受体（D–A）“异质结”以降低电子跃迁势垒，更是成为材料实现可逆变色的根本来源。同时，酰亚胺键的高π共轭与平面化特性有效提升了电荷迁移率与能带连续性；介孔孔道结构则为多离子协同传输提供了通畅通道，并在一定程度上减弱了孔壁–离子相互作用所带来的迁移限制（图2）。

图2 双极性TAAB-NTCDA COF的结构特征及理论计算的电子性质

基于该COF独特的双极性特性，团队进一步构筑了对称式电致变色器件，实现了高离子利用率、低传输阻力与优异的结构稳定性。器件在1000次循环后光学调制能力仅衰减1.5%，创造了目前COF类电致变色器件的稳定性新纪录，充分展现了该材料体系在高性能智能光电器件领域的广阔应用前景（图3）。

图3 双极性TAAB-NTCDA COF的变色机理及对称式器件的性能表现

王宏志、李克睿研究团队长期从事电致变色技术的研究工作，在电致变色材料多级结构调控、器件结构设计、功能集成与应用方面形成了系统化研究体系，包括：电致变色材料的设计与性能调控（Sci.Adv., 2025, 11, eaea1304; Nano Lett., 2025, 25, 5035; Nat. Commun., 2021, 12,1587; ACS Nano, 2018, 12, 3759–3768）、电致变色器件纤维化与功能集成（Adv. Funct. Mater., 2025, e22498; Device, 2025, 3, 100599; Adv. Mater.,2024, 36, 2305914; Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2310858; Nat. Commun., 2018,9, 4798）。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea1304