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俞書宏院士，第22篇Nature Communications！

成果簡介

智能窗戶具有調(diào)節(jié)陽光的光學(xué)特性，是高效熱管理的一個(gè)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(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)現(xiàn)對太陽輻射的動(dòng)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(dāng)與電致變色W₁₈O₄₉納米線在有色狀態(tài)下組裝時(shí)，Au納米棒表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，可以有效地阻擋大部分近紅外光(超過90%)，并在1個(gè)太陽照射下產(chǎn)生相應(yīng)的5°C冷卻效應(yīng)。

其次，為了在熱致變色窗口內(nèi)將固定的響應(yīng)溫量值擴(kuò)展到30-50°C的更寬范圍，作者仔細(xì)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(yīng)。

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(kuò)展生產(chǎn)的潛力和在不同天氣條件下的實(shí)際應(yīng)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(dǎo)讀

圖1. 智能窗的制作和調(diào)制機(jī)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(shí)組裝多種納米材料以創(chuàng)建功能復(fù)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(jī)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(dǎo)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(xué)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(jìn)行共組裝，開發(fā)了寬響應(yīng)范圍的熱致變色(WRT)智能窗口，將固定的響應(yīng)溫量值擴(kuò)展到寬溫度響應(yīng)范圍。與使用單一類型VO₂ NWs的熱致變色窗口的溫度響應(yīng)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(shí)現(xiàn)了30~50°C的寬溫度響應(yīng)范圍。

這種寬響應(yīng)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(huì)選擇性地阻擋太陽輻射，并相應(yīng)地動(dòng)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(yīng)的Au NRs的形態(tài)將決定光吸收特性。當(dāng)Au NRs的寬高比從4增加到9時(shí)，其吸收峰呈現(xiàn)出從842 nm到1212 nm的紅移(圖2a)。導(dǎo)電層是用Ag NWs代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性ITO導(dǎo)電玻璃制成的，而超細(xì)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(jìn)一步阻擋太陽輻射。

為了驗(yàn)證有序交叉排列結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，作者還隨機(jī)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(gè)方向上的散射?？紤]到光學(xué)性能和電導(dǎo)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(dá)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(kuò)大，可以覆蓋整個(gè)NIR-1區(qū)域(圖2d)。

圖3. 通過電致變色功能對太陽輻射進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

電致變色的W₁₈O₄₉ NWs也能在有色狀態(tài)下進(jìn)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(yīng)范圍

此前，較低相變溫度的元素?fù)诫sVO₂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(huì)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(yīng)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(jìn)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(yīng)范圍的熱致變色智能窗可以實(shí)現(xiàn)太陽光的逐漸調(diào)制(圖4e)。具有寬溫度刺激響應(yīng)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(shí)際溫度變化。當(dāng)溫度低于30℃時(shí)，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(dāng)溫度升高到50℃時(shí)，阻光能力進(jìn)一步增強(qiáng)。這也反映在不同強(qiáng)度的模擬照明結(jié)果上(圖4f)。

圖5. 智能窗的實(shí)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(yàn)證智能窗在真實(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)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(dá)到36℃。

在有WRT窗的樣房中，隨著太陽輻射的增強(qiáng)，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(diǎn))以后，隨著太陽光減弱，WRT4窗的遮擋能力動(dòng)態(tài)下降，導(dǎo)致WRT4窗與普通玻璃樣房內(nèi)溫度趨于一致(圖5c)。

本文進(jìn)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(dāng)溫度高于30℃時(shí)，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(dòng)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(fù)荷。

通過使用這些智能窗戶，建筑物的每月總能源負(fù)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(jì)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(xiàn)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

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/05/05a9854ec7/

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