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成果簡介

智能窗戶具有調(diào)節(jié)陽光的光學特性，是高效熱管理的一個有吸引力的選擇，可以最大限度地減少能源消耗，提高室內(nèi)生活舒適度。

中國科學技術(shù)大學劉建偉教授、俞書宏院士等人提出了一種可調(diào)諧元件和有序結(jié)構(gòu)的電致變色和熱致變色智能窗的共組裝策略，以實現(xiàn)對太陽輻射的動態(tài)調(diào)節(jié)，從而有效提高智能窗的陽光調(diào)制和熱管理能力。

首先，為了提高電致變色窗口的照明和冷卻效率，調(diào)整了Au納米棒的長寬比和混合類型，以選擇性地吸收760~1360 nm的近紅外波長范圍。此外，當與電致變色W₁₈O₄₉納米線在有色狀態(tài)下組裝時，Au納米棒表現(xiàn)出協(xié)同效應，可以有效地阻擋大部分近紅外光(超過90%)，并在1個太陽照射下產(chǎn)生相應的5°C冷卻效應。

其次，為了在熱致變色窗口內(nèi)將固定的響應溫量值擴展到30-50°C的更寬范圍，作者仔細調(diào)節(jié)W-VO₂納米線的摻雜量和混合類型。與VO₂固定相變溫度(T_c=68℃)相比，不同W摻雜量的熱致變色W-VO₂ NWs能夠有效拓寬智能窗的溫度刺激響應。

此外，該共組裝方法還適用于制備尺寸為25×20 cm²的大面積智能窗戶，突出了可擴展生產(chǎn)的潛力和在不同天氣條件下的實際應用前景。

相關(guān)工作以《Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation》為題在《Nature Communications》上發(fā)表論文。值得注意的是，這也是俞書宏院士在《Nature Communications》上發(fā)表的第22篇論文。

圖文導讀

圖1 智能窗的制作和調(diào)制機理示意圖

界面協(xié)同組裝方法是制備具有可調(diào)性能的智能窗口的一種通用而有效的方法，它涉及在界面上同時組裝多種納米材料以創(chuàng)建功能復合結(jié)構(gòu)。圖1a展示了基于納米線的智能窗的制造過程和調(diào)節(jié)機制。為了創(chuàng)建選擇性光吸收電致變色(SLE)智能窗口，合成并混合了具有窄吸收范圍的不同長寬比的Au NRs，以覆蓋760~1360 nm波段。然后，將多尺寸Au NR混合物與電致變色W₁₈O₄₉ NWs和導電Ag NWs一起組裝成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以精確調(diào)制近紅外區(qū)域。該窗口能夠選擇性地吸收760~1360 nm的近紅外波長范圍，以提高照明和冷卻效率，并且這些光學材料的協(xié)同作用可以顯著提高在更高溫度下的冷卻效果。

采用相同的界面組裝調(diào)節(jié)策略，通過對不同W摻雜量的熱致變色W-VO₂ NWs進行共組裝，開發(fā)了寬響應范圍的熱致變色(WRT)智能窗口，將固定的響應溫量值擴展到寬溫度響應范圍。與使用單一類型VO₂ NWs的熱致變色窗口的溫度響應范圍較窄相比，使用不同相變溫度的W-VO₂ NWs的WRT智能窗口實現(xiàn)了30~50°C的寬溫度響應范圍。

這種寬響應范圍使智能窗戶能夠隨著環(huán)境溫度的變化逐漸調(diào)節(jié)其擋光性能，從而有效地控制室內(nèi)照明和溫度(圖1b)。如圖1c所示，在房屋中安裝智能窗戶后，智能窗戶會選擇性地阻擋太陽輻射，并相應地動態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

圖2 智能窗的選擇性光吸收

具有局域表面等離激元共振(LSPR)效應的Au NRs的形態(tài)將決定光吸收特性。當Au NRs的寬高比從4增加到9時，其吸收峰呈現(xiàn)出從842 nm到1212 nm的紅移(圖2a)。導電層是用Ag NWs代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性ITO導電玻璃制成的，而超細電致變色W₁₈O₄₉ NWs則用來分離Au NRs和Ag NWs，從而保證了可見光透過率，并在有色狀態(tài)下進一步阻擋太陽輻射。

為了驗證有序交叉排列結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，作者還隨機噴涂等量的材料到基板上，形成無序結(jié)構(gòu)。由此形成的有序的交叉排列結(jié)構(gòu)可以顯著降低光在各個方向上的散射。考慮到光學性能和電導率的要求，將6層W₁₈O₄₉ NW網(wǎng)絡(luò)和4層W₁₈O₄₉/Ag NW網(wǎng)絡(luò)疊合形成電致變色(EC)薄膜。作為比較，將6層W₁₈O₄₉/Au網(wǎng)絡(luò)和4層W₁₈O₄₉/Ag NW網(wǎng)絡(luò)疊合形成選擇性光吸收電致變色(SLE)薄膜(圖2b)。

為了匹配太陽輻射光譜，在SLE薄膜中混合了不同類型和數(shù)量的Au NRs。所有SLE薄膜的可見光透過率均高達70%，而在NIR-1中，薄膜的透過率可從61.7%調(diào)整到54.6%。隨著Au NRs類型的增加，近紅外光譜的吸收范圍逐漸擴大，可以覆蓋整個NIR-1區(qū)域(圖2d)。

圖3 通過電致變色功能對太陽輻射進行動態(tài)調(diào)節(jié)

電致變色的W₁₈O₄₉ NWs也能在有色狀態(tài)下進一步阻擋太陽輻射。圖3a、b為EC和SLE4薄膜在漂白和有色狀態(tài)下的透過率光譜，有色EC窗口在可見光下的透過率為46.3%，在NIR-1下的透過率為30.5%。彩色SLE4薄膜的可見光透射率接近30%，而NIR-1的透射率只有9.1%(圖3c)。

此外，在H₃PO₄/聚乙烯醇(PVA)凝膠電解質(zhì)的幫助下，將SLE4薄膜封裝成固態(tài)智能窗口器件(圖3d)。在模型室安裝固態(tài)智能窗后，SLE4智能窗在漂白狀態(tài)下可降低黑體溫度3.7℃，在有色狀態(tài)下可降低黑體溫度4.8℃(圖3e)。

圖4 智能窗的寬溫度刺激響應范圍

此前，較低相變溫度的元素摻雜VO₂作為熱致變色材料在炎熱天氣中有效阻擋太陽輻射，但在寒冷天氣下會影響建筑物對充足太陽輻射的需求。為了解決這一難題，采用相同的共組裝策略制備了具有寬刺激響應范圍的熱致變色智能窗。

首先，通過水熱法合成了不同程度摻雜W的VO₂ NWs，通過差示掃描量熱曲線(圖4a)觀察到，W-VO₂-1、W-VO₂-2和W-VO₂-3 NWs的T_c分別為45、40和35℃。然后，將上述三種W-VO₂ NWs進行共組裝，制備出具有良好透明性的WRT薄膜(圖4b)。

從圖4c、d可以看出，WRT4薄膜在低溫下近90%的近紅外光可以通過，在高溫下不到65%，而WRT4薄膜的可見光透過率可以保持在65%左右，無論溫度如何變化，該薄膜對室內(nèi)采光的影響都很小。

由于在較寬的溫度范圍內(nèi)W-VO₂ NWs發(fā)生相變的類型和數(shù)量不同，具有較寬溫度刺激響應范圍的熱致變色智能窗可以實現(xiàn)太陽光的逐漸調(diào)制(圖4e)。具有寬溫度刺激響應范圍的智能窗比具有急劇和大轉(zhuǎn)變的熱致變色窗更適合實際溫度變化。當溫度低于30℃時，WRT4窗不遮擋陽光。一定數(shù)量的納米線在30~40℃之間發(fā)生相變，當溫度升高到50℃時，阻光能力進一步增強。這也反映在不同強度的模擬照明結(jié)果上(圖4f)。

圖5 智能窗的實際制冷性能及節(jié)能模擬

由于共組裝策略的生產(chǎn)成本較低，且能夠放大生產(chǎn)，作者制備了尺寸為25×20 cm²的大面積SLE和WRT薄膜。為了驗證智能窗在真實環(huán)境條件下的有效性，將安裝了玻璃、SLE和WRT智能窗的相同房屋模型在合肥市下進行光照處理(圖5a)。如圖5b所示，室外地面溫度從29℃上升到39.8℃。實時記錄這些智能窗樣板房中的黑體，由于Au NRs持續(xù)吸收近紅外光，在SLE窗的保證下，黑體的峰值溫度只達到36℃。

在有WRT窗的樣房中，隨著太陽輻射的增強，越來越多的W-VO₂ NWs發(fā)生相變。與中午使用普通玻璃的樣板房室外地面(41°C和39°C)相比，使用WRT窗戶的黑體溫度僅為36.1°C。15:00(下午3點)以后，隨著太陽光減弱，WRT4窗的遮擋能力動態(tài)下降，導致WRT4窗與普通玻璃樣房內(nèi)溫度趨于一致(圖5c)。

本文進一步選取沙特阿拉伯利雅得和中國香港的氣候數(shù)據(jù)分析窗口性能。仿真中，當溫度高于30℃時，SLE窗的電致變色功能被激活，WRT窗的調(diào)制隨環(huán)境溫度動態(tài)調(diào)節(jié)。圖5d、e描述了在利雅得和香港下，普通玻璃、SLE和WRT智能窗的總能量負荷。

通過使用這些智能窗戶，建筑物的每月總能源負荷(包括暖通空調(diào)系統(tǒng))大大減少，特別是在炎熱的夏季。此外，作者通過繪制智能窗戶與普通玻璃窗的能耗差異來計算節(jié)能效果(圖5f)，其中，SLE窗戶在利雅得和香港分別可以減少16.3%和19.6%的總能耗。

文獻信息

Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation，Nature Communications，2023.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38353-4

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