基于多組分功能納米基元的共組裝策略

窗戶是太陽光輻射能量進入建筑室內(nèi)的主要媒介，因此安裝可以阻擋太陽光輻射和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的智能化窗戶對于節(jié)能建筑至關(guān)重要。

現(xiàn)有的智能窗戶主要是通過透明和不透明兩種光學(xué)狀態(tài)間的切換來調(diào)控太陽光輻射，這一調(diào)控過程往往為了阻擋更多的太陽光輻射而犧牲了部分可見光的透過，從而影響室內(nèi)采光照明。此外，有限的刺激響應(yīng)使得這些智能窗戶難以根據(jù)復(fù)雜的天氣變化和個體喜好來動態(tài)或選擇性的調(diào)控太陽光輻射。因此，開發(fā)能夠選擇性阻擋太陽輻射以應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境變化的智能窗戶具有重要研究意義和應(yīng)用價值。

近日，南方科技大學(xué)創(chuàng)新材料研究院、材料科學(xué)與工程系、化學(xué)系講席教授俞書宏院士團隊報道了一種基于一維功能納米基元組裝體的智能窗戶制備新策略，可實現(xiàn)對不同波段太陽光輻射的動態(tài)調(diào)控，相關(guān)論文以“Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation”為題發(fā)表在Nature Communications上。

圖1. 智能窗戶的構(gòu)筑和調(diào)制機理示意圖。a.基于一維電致變色W18O49納米線、導(dǎo)電Ag納米線和Au納米棒共組裝的選擇性光吸收電致變色智能窗戶(SLE);b.基于不同W摻雜量的W-VO2納米線共組裝的寬響應(yīng)范圍熱致變色智能窗戶(WRT);c.在施加電壓或環(huán)境溫度的刺激下，智能窗戶對于太陽光的調(diào)控和室內(nèi)溫度的控制。

利用氣-液界面協(xié)同組裝的方法，分別將電致變色、熱致變色與光譜可調(diào)的納米功能單元進行有序共組裝，制備出可動態(tài)調(diào)控太陽光輻射的智能窗戶。研究人員將多尺寸的Au 納米棒混合物與電致變色W18O49納米線和導(dǎo)電Ag納米線共組裝成有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過外部供電，智能窗戶的外觀顏色發(fā)生顯著改變。在Au納米棒對紅外光譜選擇性吸收以及W18O49電致變色功能的協(xié)同作用下提高了窗戶對于太陽光的阻擋性能（圖1a）。采用相同界面共組裝策略，研究人員基于不同W摻雜量W-VO2納米線的共組裝，制備出具有寬響應(yīng)范圍的熱致變色智能窗戶(WRT)。與單一類型VO2納米線的熱致變色窗戶相比，該智能窗戶將狹窄的響應(yīng)溫度從68°C擴展到30-50°C這一較寬的溫度范圍（圖1b）。當(dāng)智能窗戶安裝在房屋上時，它們會選擇性地阻擋太陽輻射，并根據(jù)施加的電壓或環(huán)境溫度的變化動態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度（圖1c）。

圖2. 智能窗戶的選擇性光吸收譜。a. 不同尺寸Au納米棒的吸收譜；b.選擇光吸收-電致變色膜照片；c.電致變色膜和SLE膜在太陽光輻照 (AM 1.5G)下的透射光譜。d. SLE膜在可見光區(qū)、近紅外區(qū)和整個太陽光波段的透射光強度;e-g. 通過紅外攝像機實時記錄模型室中心黑體的溫度來檢測智能窗戶的調(diào)溫性能。

首先，研究人員對通過上述方法制備的材料以及智能窗戶的光譜吸收特性進行了表征（圖2）。這些Au 納米棒可以選擇性吸收760-1360 nm波段的近紅外光，不會過多影響到可見光的透過（圖2a）?；诓煌珹u納米棒組裝而成的不同薄膜表現(xiàn)出了不同紅外波段光吸收特性（圖2c, d），作為智能窗戶也表現(xiàn)出不同的隔熱降溫性能（圖2e-g）。與普通玻璃或純電致變色薄膜窗戶（未著色狀態(tài)）相比，這種具有Au納米棒的智能窗戶（SLE4）最高可以使室內(nèi)溫度降低3.7oC。

圖3. 智能窗戶中電致變色功能對太陽光譜的動態(tài)調(diào)控。a-c. 不同類型薄膜（普通EC薄膜，含有Au納米棒的SLE4薄膜）的電致變色性能及其在褪色和著色狀態(tài)下的太陽光譜透過率表征; d-f. SLE4薄膜變色前后光學(xué)照片及其用于智能窗口的隔熱降溫性能表征; g-h. SLE4膜的電致變色性能表征，包括響應(yīng)時間、機械性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

進一步，研究人員對SLE4薄膜的電致變色性能和太陽光譜調(diào)制性能進行了表征。結(jié)果表明SLE4薄膜在Au納米棒被動調(diào)控太陽光譜的基礎(chǔ)上，通過對W18O49納米線施加工作電壓，智能窗戶可以實現(xiàn)對太陽光譜透過的主動調(diào)控，在變色后可以使實驗?zāi)Ｐ椭泻隗w溫度降低4.8oC (變色前為3.7oC)。該薄膜具有良好的電致變色響應(yīng)性（著色時間4.5-6.5 s，褪色時間5-6.5 s）以及機械穩(wěn)定性（彎曲循環(huán)1000次后依然保持97%初始性能）。

圖4. 智能窗口的寬溫度響應(yīng)性。a. 摻雜不同W含量VO2納米線的DSC曲線；b-d. 含有多種W摻雜VO2納米線薄膜（WRT4）照片及其在不同溫度下的透過率調(diào)控性能；e-g.含有不同種類W摻雜VO2納米線的熱致變色薄膜的近紅外光譜調(diào)控性能及其調(diào)溫性能；h. WRT4薄膜的熱循環(huán)穩(wěn)定性測試。

此外，采用相同的界面組裝策略，研究人員對不同W摻雜量的熱變色W-VO2NWs進行共組裝，開發(fā)出寬響應(yīng)范圍熱變色智能窗（圖4），與基于單一類型VO2的熱致變色窗戶相比，該智能窗戶將狹窄的響應(yīng)溫度從68°C擴展到30-50°C這一較寬的溫度范圍。在這種寬響應(yīng)范圍智能窗戶中，處于熱致變色狀態(tài)下的W-VO2納米線數(shù)量能夠隨著環(huán)境溫度的變化而變化，從而動態(tài)調(diào)控智能窗戶的變色性能。以WRT4為例，在低溫時其紅外光透過率接近90%，而在高溫時其紅外透過率僅為65%，同時保證可見光波段透過率基本不發(fā)生變化。不同類型熱致變色薄膜可以實現(xiàn)不同的室內(nèi)溫度調(diào)控能力（在室外溫度為40oC時最高可降低室內(nèi)溫度3.5oC）。經(jīng)過1000次熱循環(huán)后，薄膜依然保持優(yōu)異的熱致變色穩(wěn)定性。

圖5.智能窗戶的實際控溫性能及節(jié)能效率的模擬。a.安裝SLE和WRT智能窗戶模型房屋的紅外圖像，插圖為安裝SLE和WRT智能窗戶模型房屋的實物照片。b-c.在實際太陽光照射下，SLE智能窗戶和WRT智能窗戶的實際控溫效果。d. 選取利雅得為目標(biāo)城市，使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的每月能量負(fù)荷。e.選取香港為目標(biāo)城市，使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的每月能量負(fù)荷。f.在利雅得和香港使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的全年總能量負(fù)荷。

圖5a-5c是SLE和WRT智能窗戶在實際太陽光照射下的控溫結(jié)果。研究人員通過進一步對建筑的功耗進行仿真模擬，分析出在不同氣候類型的地區(qū)中，相較于普通玻璃窗戶，SLE和WRT智能窗戶可以在炎熱的月份內(nèi)節(jié)省下更多的能源功耗。

這項研究提出了一種基于多組分功能納米基元的共組裝策略實現(xiàn)了可用于太陽光譜調(diào)控智能窗戶的快速構(gòu)筑，通過調(diào)制多類型材料的組分和結(jié)構(gòu)顯著改善窗戶的光學(xué)性能。這種共組裝策略具有操作簡便且易于大規(guī)模制備的優(yōu)勢，為今后新型電致變色和熱致變色智能窗戶的設(shè)計、制備和應(yīng)用提供新的解決方案。

南科大材料科學(xué)與工程系助理教授王金龍為論文的共同第一作者，俞書宏為通訊作者。該研究得到了南科大科研啟動及啟動配套經(jīng)費、新基石科學(xué)基金會、科技部國家重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。