近日，欧博app官方材料学院高彦峰教授/赵起副教授团队联合新加坡国立大学、新加坡科技研究局等在国际期刊《Nature Communications》上发表最新研究成果，提出“金属中心电子亲和能调控多色电致变色”的新机制。研究发现，在二维共轭金属有机框架（2D c-MOFs）中，有机配体提供多色变化的结构基础，而金属中心并非简单支撑节点，而是通过电子亲和能、价态稳定性和金属—氧相互作用决定变色过程的速度、能量需求和循环稳定性。这一工作为二维共轭MOF多色电致变色材料的理性设计提供了新的机制依据。
1、从“配体主导”到“金属中心调控”
电致变色材料能够在外加电压作用下发生可逆颜色变化，在智能窗、低功耗显示、动态伪装和可穿戴电子等领域具有重要应用潜力。随着柔性智能器件的发展，传统单一颜色切换的电致变色体系已经难以满足多颜色、快响应和长寿命的综合需求。二维共轭MOF由于同时具有金属节点、π共轭有机配体、规则孔道和较高电导率，被认为是新一代柔性多色电致变色材料的重要候选。
高彦峰教授/赵起副教授团队在前期相关工作中已系统证明了二维共轭MOF的多色电致变色潜力，并初步明确有机配体氧化还原转化在颜色变化中的核心作用（Advanced Materials 37, 2413452；Advanced Science 12, 2500678）。然而，二维共轭MOF本质上是由金属中心与有机配体共同构筑的电子耦合体系，其电致变色行为并不应被简单理解为单一配体过程。金属中心的电子结构、价态稳定性以及金属—配体相互作用，可能进一步影响电荷转移路径、反应能垒、离子迁移过程和循环稳定性。
因此，本项工作围绕“金属中心是否以及如何参与调控二维共轭MOF电致变色过程”这一关键问题，将研究重点从有机配体进一步推进到金属中心层面，旨在建立金属中心电子结构与多色电致变色动力学、稳定性之间的内在关联。
图1. 从“配体主导变色”到“金属中心调控变色”的机制认识转变。
2、同配体、不同金属：从对比体系中识别关键变量
为排除配体和框架结构差异带来的干扰，研究人员以HHTP配体构筑的二维金属-儿茶酚盐框架为模型体系，通过无监督学习筛选并选择Zn、Ni、Cu三种金属中心进行系统比较。三种材料采用相同有机配体并具有相近框架结构，因此能够更加清晰地揭示金属中心本身对电致变色性能的影响。
实验结果显示，Zn-CAT-1、Ni-CAT-1和Cu-CAT-1均能实现绿色—蓝色—紫色的多色切换，说明HHTP配体确实提供了多色变色的结构基础。然而，三者的响应速度和循环稳定性存在显著差异：Zn-CAT-1和Ni-CAT-1表现出更快的变色动力学和更好的循环稳定性，而Cu-CAT-1则明显变慢，并更容易发生性能衰减。
图2 Zn、Ni、Cu基二维共轭MOF均可实现三色切换，但响应速度和循环稳定性存在显著差异。
3、电子亲和能机制：从金属中心层面破题
造成上述差异的关键，并不在于材料是否能够发生多色变化，而在于金属中心是否参与额外的氧化还原过程。XPS和XAFS表征表明，Cu-CAT-1在电化学变色过程中发生明显的Cu⟡⁺/Cu⁺价态转变，并伴随Cu–O键长变化和金属—氧相互作用增强。相比之下，Zn-CAT-1和Ni-CAT-1的金属价态基本稳定，Zn–O和Ni–O键变化较小，说明其局域配位结构更加稳定。
这一结果表明，Cu中心并不是简单的结构支撑节点，而是参与了额外的金属中心氧化还原过程。对于Cu-CAT-1而言，Cu⟡⁺/Cu⁺转变需要额外电子参与，使原本以配体为主的氧化还原过程变得更加复杂；同时，增强的Cu–O相互作用会提高C=O键形成和局域结构重排的难度，从而增加反应能垒。最终，Cu-CAT-1虽然也能实现多色切换，但变色速度更慢，循环稳定性更差。
图3 XPS与XAFS证明Cu中心发生价态转变和Cu–O相互作用增强，导致结构稳定性下降。
DFT计算进一步验证了这一机制。Zn-CAT-1和Ni-CAT-1的最高占据分子轨道主要分布在HHTP配体上，说明其变色过程主要由配体氧化还原主导；而Cu-CAT-1的电子分布明显涉及Cu中心，表明Cu参与了额外的金属中心氧化还原过程。同时，Cu-CAT-1具有更高的变色能量需求、更大的结构畸变和更高的离子迁移限速能垒，这与实验中较慢的响应速度和较差的稳定性相一致。
图4 DFT计算揭示金属中心电子亲和能对电子转移、反应能垒和结构稳定性的调控作用。
4、研究展望
基于上述结果，本工作建立了一个更加完整的二维共轭MOF电致变色图像：有机配体负责提供多色变化的基础，金属中心则通过电子亲和能和价态稳定性调控变色过程的速度、能量需求和结构稳定性。
这一认识修正了传统经验中“氧化还原活性金属可能更有利于电致变色”的直觉。对于这类二维共轭MOF体系而言，过强的金属氧化还原活性反而可能成为负担。金属中心一旦参与额外价态变化，就会引入更多电子转移步骤，增强金属—氧耦合，诱导局域结构重排，最终拖慢变色过程并削弱循环稳定性。
研究团队进一步指出，在设计二维共轭MOF多色电致变色材料时，不应只关注有机配体能否发生多重氧化还原，也不应简单追求金属中心的氧化还原活性，而应优先选择价态稳定、电子亲和能较低、对配体氧化还原干扰较小的金属中心。该设计原则有望推广至更多氧化还原活性二维MOF体系，为智能显示、动态伪装和可穿戴光电器件提供新的材料设计思路。
5、论文信息
论文题为“Metal-center Electron Affinity Modulates Multicolor Electrochromism in 2D Conjugated Metal-Organic Frameworks”，发表于《Nature Communications》。本工作由欧博app官方、新加坡国立大学、新加坡科技研究局等合作完成。赵起副教授（欧博app官方）为论文第一作者；高彦峰教授（欧博app官方）、Yong-Wei Zhang教授（新加坡科技研究局）、赵丹教授（新加坡国立大学）和John Wang教授（新加坡国立大学）为共同通讯作者。
论文下载链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74941-w
