超高可见光透明度和红外透射率调制的热致变色微凝胶节能智能窗

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　　第一作者：张荣
　　通讯作者：徐磊 副研究员，唐少春 教授
　　DOI: 10.1039/D1TA03917B
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　　节能智能窗对高可见光透明度和强太阳能调制能力的要求很高，但传统的响应材料通常透明度低，太阳能透射范围窄，在设施温室周年生产中，夏季保持生产适宜温度所需耗费的能源巨大。近日，江苏省农业科学院农用新材料创新团队和南京大学唐少春教授团队在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为＂Energy-Efficient Smart Window Based on a Thermochromic Microgel with Ultrahigh Visible Transparency and Infrared Transmittance Modulation＂的文章，报道了一种新型热致变色＂智能窗＂材料V 1-x  W x  O 2  @SiO 2  /PNIPAm的设计、合成及其在建筑节能方面的前瞻性应用。通过复合不同光响应波段的功能材料，利用核壳结构的掺钨二氧化钒（V 1-x  W x  O 2  @SiO 2  ）和温敏特性的聚N‒异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）构筑了热致变色微凝胶，从而达到拓宽玻璃光谱调控范围的目的。
　　基于这种新型热致变色微凝胶的智能窗户高度透明，可在低温下透过太阳光，而当暴露在阳光下时，它会自动变为不透明以切断太阳能增加的热量，这两种模式能自动可逆切换。钨掺杂使相变温度降低至室温~30℃，远低于二氧化钒的相变温度68℃；VV 1-x  W x  O 2  @SiO 2  的固含量非常低，仅有千分之一（1.0 wt‰）的情况下，智能窗表现出超高可见光透光率（达到92.48％），变温太阳光谱调控率达到77.20％。特别是，智能窗在白天户外测试中表现出出色的节能效果，能够使室内温度实际降低15.1℃，且在100次冷热循环后仍具有优异的服役稳定性。该工作为高性能智能控温玻璃窗的设计和制备提供了一种新思路，在设施农业生产、建筑节能、可穿戴智能传感以及医疗器械等领域具有巨大潜力，同时也有助于降低生产生活中的碳排放。
　　背景介绍
　　建筑物与外界环境最主要的热交换介质为玻璃，若实现了对热量传递的智能调控，则能有效降低能耗约40%。目前，常用透光覆盖材料主要有普通平板玻璃、浮法玻璃、红外吸收玻璃、钢化玻璃等，它们在昼夜、冷热快速交替与四季变化的复杂自然环境中无法自发响应温度变化（即按需调节）。由于太阳辐射是室内热量的主要来源，其47%的能量分布在近红外波段（750−2500 nm），若玻璃能够自动感知周围环境温度并对近红外光进行智能调控，那将有助于提升建筑物的节能降温效果。目前报道的热致变色型智能窗材料在应用基础研究方面还存在诸多问题，如高于室温的金属−半导体相变温度、低可见光透过率和低太阳光调节效率等。这些问题直接影响了材料的光学性能，进而对窗户的节能效率产生影响。
　　图文解析
　　图1. VSP微凝胶热变色行为的机理示意图。VSP微凝胶层位于两块透明玻璃之间，形成一种＂三明治＂结构。将10厘米×10厘米的智能窗置于红外灯下照射，随着时间的延长，窗户具有明显的热致变色效应，且其在500nm处的可见光透过率也随之降低。将该智能窗材料应用于建筑窗，能有助于实现＂冬暖夏凉＂的舒适建筑环境。
　　图2. VSP的物相结构与微观形貌表征。VO 2  经钨掺杂得到V 0.8  W 0.2  O 2  ，其相变温度从64.5℃降至27℃，接近体感舒适温度。当温度低于相变温度时，其可见光和近红外光呈现高透过；当温度高于相变温度，其对红外光呈现高反射。
　　图3. PNIPAm和VSP微凝胶粒径与温度的响应曲线。当温度低于临界相变温度（30℃）时，体系中的粒径增大，形成连续相，呈现各向同性，此时光谱透过率高，显现低温高透明状态，从而使室内温度升高；当温度高于临界相变温度时，体系中的粒径缩小，相互分离，与水相形成两相，呈现各向异性，使得光线在体系中发生折射和散射，光谱透过率低，显现高温不透明状态，从而阻止室内温度上升。
　　图4. 不同含量V 0.8  W 0.2  O 2  @SiO 2  的热致变色性能。当温度为20℃时，随着V 0.8  W 0.2  O 2  含量的增加，VSP在200-2500nm特别是可见光区域，呈现透过率逐渐增加的趋势。当升温到40℃后，其光谱的透过率相对于20℃整体有明显的降低。随着V 0.8  W 0.2  O 2  含量的逐渐增加，材料的∆T sol  呈现先增加后降低的趋势。
　　图5. 图片展示了使用VSP填充30厘米×30厘米的大尺寸夹层玻璃中空层的过程，该装置的制备方法简单，易于大规模生产和制造。值得强调的是，VSP的热致变色参数相比于目前报道的其他VO 2  基热致变色薄膜性能突出。
　　大尺寸的智能窗室外测试实验，团队成员于2020年9月8日放置于江苏省南京市栖霞区（北纬32°7＂16＂，东经118°57＂19＂）的南京大学现代工程与应用科学学院大楼前测试完成。在室外太阳光照射下，团队成员连续观察智能窗的透光率随温度变化的递变情况。结果显示，VSP智能窗在清晨和中午分别显示了透明和乳白色，具有优异的热致变色特性。
　　总结与展望
　　通过离子掺杂和乳液聚合，团队成功获得了一种兼具高可见光透过率和高太阳光调节效率的新型有机-无机智能窗材料，其独特结构赋予该材料优异的节能降温性能。同时，该制备技术具有工艺简单、成本低、适合大规模生产等优点。与传统节能降温方式相比，该智能窗无需额外能耗，可自动感知周围环境温度实现变色和调温，最终使室内获得＂冬暖夏凉＂式的舒适环境，从而减少因制冷和采暖产生的能耗。该工作为高性能智能节能窗的设计和制备提供了一种新的思路和有效途径。该工作获得了江苏省农业科学院农业设施与装备研究所夏礼如所长和东华大学管清宝副研究员的帮助和支持。
　　通讯作者简介
　　徐磊 副研究员， 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所农用新材料团队负责人，南京大学现代工程与应用科学学院材料系博士后，江苏大学材料学硕士生导师。现从事生物基高值化材料与智能材料研究。
　　唐少春 教授 ，南京大学教授，博士生导师，美国斯坦福大学访问学者，南京大学海安高新技术研究院院长。主要研究方向包括：降温/光热薄膜材料的制备与应用、低维纳米碳基功能复合材料及传感器件、超级电容/锂（钠）电池材料及柔性器件、相变储能/降温薄膜材料及节能技术。
　　第一作者简介
　　张荣 副研究员 ，现为南京大学现代工程与应用科学学院唐少春教授团队成员，主要研究领域是聚合物基光热功能复合材料。
　　文献来源
　　Rong Zhang et al., Energy-Efficient Smart Window Based on a Thermochromic Microgel with Ultrahigh Visible Transparency and Infrared Transmittance Modulation, Journal of Materials Chemistry A, In Press. https://doi.org/10.1039/D1TA03917B.