科研快報|俞書宏院士團隊報道了一種基于一維納米材料組裝體的太陽光輻射調控智能窗戶

近日，南方科技大學創新材料研究院、材料科學與工程系、化學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，可實現對不同波段太陽光輻射的動態調控，相關論文以“Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation”為題發表在Nature Communications上。

圖1. 智能窗戶的構筑和調制機理示意圖。a.基于一維電致變色W₁₈O₄₉納米線、導電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范圍熱致變色智能窗戶(WRT);c.在施加電壓或環境溫度的刺激下，智能窗戶對于太陽光的調控和室內溫度的控制。

利用氣-液界面協同組裝的方法，分別將電致變色、熱致變色與光譜可調的納米功能單元進行有序共組裝，制備出可動態調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納米線和導電Ag納米線共組裝成有序的網狀結構。通過外部供電，智能窗戶的外觀顏色發生顯著改變。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溫度從68°C擴展到30-50°C這一較寬的溫度范圍（圖1b）。當智能窗戶安裝在房屋上時，它們會選擇性地阻擋太陽輻射，并根據施加的電壓或環境溫度的變化動態調節室內溫度（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、近紅外區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）相比，這種具有Au納米棒的智能窗戶（SLE4）最高可以使室內溫度降低3.7^oC。

圖3. 智能窗戶中電致變色功能對太陽光譜的動態調控。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下的太陽光譜透過率表征; d-f. SLE4薄膜變色前后光學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，包括響應時間、機械性能和循環穩定性。

進一步，研究人員對SLE4薄膜的電致變色性能和太陽光譜調制性能進行了表征。結果表明SLE4薄膜在Au納米棒被動調控太陽光譜的基礎上，通過對W₁₈O₄₉納米線施加工作電壓，智能窗戶可以實現對太陽光譜透過的主動調控，在變色后可以使實驗模型中黑體溫度降低4.8^oC (變色前為3.7^oC)。該薄膜具有良好的電致變色響應性（著色時間4.5-6.5 s，褪色時間5-6.5 s）以及機械穩定性（彎曲循環1000次后依然保持97%初始性能）。

圖4. 智能窗口的寬溫度響應性。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控性能及其調溫性能；h. WRT4薄膜的熱循環穩定性測試。

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-VO₂?NWs進行共組裝，開發出寬響應范圍熱變色智能窗（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。在這種寬響應范圍智能窗戶中，處于熱致變色狀態下的W-VO₂納米線數量能夠隨著環境溫度的變化而變化，從而動態調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生變化。不同類型熱致變色薄膜可以實現不同的室內溫度調控能力（在室外溫度為40^oC時最高可降低室內溫度3.5^oC）。經過1000次熱循環后，薄膜依然保持優異的熱致變色穩定性。

圖5.智能窗戶的實際控溫性能及節能效率的模擬。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荷。e.選取香港為目標城市，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節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了可用于太陽光譜調控智能窗戶的快速構筑，通過調制多類型材料的組分和結構顯著改善窗戶的光學性能。這種共組裝策略具有操作簡便且易于大規模制備的優勢，為今后新型電致變色和熱致變色智能窗戶的設計、制備和應用提供新的解決方案。

南科大材料科學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費、新基石科學基金會、科技部國家重點研發項目、國家自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38353-4?