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  節(jié)能智能窗對(duì)高可見(jiàn)光透明度和強(qiáng)太陽(yáng)能調(diào)制能力的要求很高，但傳統(tǒng)的響應(yīng)材料通常透明度低，太陽(yáng)能透射范圍窄，在設(shè)施溫室周年生產(chǎn)中，夏季保持生產(chǎn)適宜溫度所需耗費(fèi)的能源巨大。近日，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)用新材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和南京大學(xué)唐少春教授團(tuán)隊(duì)在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表題為“Energy-Efficient Smart Window Based on a Thermochromic Microgel with Ultrahigh Visible Transparency and Infrared Transmittance Modulation”的文章，報(bào)道了一種新型熱致變色“智能窗”材料V_1-xW_xO₂@SiO₂/PNIPAm的設(shè)計(jì)、合成及其在建筑節(jié)能方面的前瞻性應(yīng)用。通過(guò)復(fù)合不同光響應(yīng)波段的功能材料，利用核殼結(jié)構(gòu)的摻鎢二氧化釩（V1-xWxO2@SiO2）和溫敏特性的聚N?異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）構(gòu)筑了熱致變色微凝膠，從而達(dá)到拓寬玻璃光譜調(diào)控范圍的目的。

  基于這種新型熱致變色微凝膠的智能窗戶(hù)高度透明，可在低溫下透過(guò)太陽(yáng)光，而當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí)，它會(huì)自動(dòng)變?yōu)椴煌该饕郧袛嗵?yáng)能增加的熱量，這兩種模式能自動(dòng)可逆切換。鎢摻雜使相變溫度降低至室溫~30℃，遠(yuǎn)低于二氧化釩的相變溫度68℃；V1-xWxO2@SiO2的固含量非常低，僅有千分之一（1.0 wt‰）的情況下，智能窗表現(xiàn)出超高可見(jiàn)光透光率（達(dá)到92.48％），變溫太陽(yáng)光譜調(diào)控率達(dá)到77.20％。特別是，智能窗在白天戶(hù)外測(cè)試中表現(xiàn)出出色的節(jié)能效果，能夠使室內(nèi)溫度實(shí)際降低15.1℃，且在100次冷熱循環(huán)后仍具有優(yōu)異的服役穩(wěn)定性。該工作為高性能智能控溫玻璃窗的設(shè)計(jì)和制備提供了一種新思路，在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑節(jié)能、可穿戴智能傳感以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有巨大潛力，同時(shí)也有助于降低生產(chǎn)生活中的碳排放。

  建筑物與外界環(huán)境最主要的熱交換介質(zhì)為玻璃，若實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱量傳遞的智能調(diào)控，則能有效降低能耗約40%。目前，常用透光覆蓋材料主要有普通平板玻璃、浮法玻璃、紅外吸收玻璃、鋼化玻璃等，它們?cè)跁円埂⒗錈峥焖俳惶媾c四季變化的復(fù)雜自然環(huán)境中無(wú)法自發(fā)響應(yīng)溫度變化（即按需調(diào)節(jié)）。由于太陽(yáng)輻射是室內(nèi)熱量的主要來(lái)源，其47%的能量分布在近紅外波段（750?2500 nm），若玻璃能夠自動(dòng)感知周?chē)h(huán)境溫度并對(duì)近紅外光進(jìn)行智能調(diào)控，那將有助于提升建筑物的節(jié)能降溫效果。目前報(bào)道的熱致變色型智能窗材料在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面還存在諸多問(wèn)題，如高于室溫的金屬?半導(dǎo)體相變溫度、低可見(jiàn)光透過(guò)率和低太陽(yáng)光調(diào)節(jié)效率等。這些問(wèn)題直接影響了材料的光學(xué)性能，進(jìn)而對(duì)玻璃窗的節(jié)能效率產(chǎn)生影響。

圖1. VSP微凝膠熱變色行為的機(jī)理示意圖。VSP微凝膠層位于兩塊透明玻璃之間，形成一種"三明治"結(jié)構(gòu)。將10厘米×10厘米的智能窗置于紅外燈下照射，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，窗戶(hù)具有明顯的熱致變色效應(yīng)，且其在500nm處的可見(jiàn)光透過(guò)率也隨之降低。將該智能窗材料應(yīng)用于建筑窗，能有助于實(shí)現(xiàn)"冬暖夏涼"的舒適建筑環(huán)境。

圖2. VSP的物相結(jié)構(gòu)與微觀形貌表征。VO₂經(jīng)鎢摻雜得到V_0.8W_0.2O₂，其相變溫度從64.5℃降至27℃，接近體感舒適溫度。當(dāng)溫度低于相變溫度時(shí)，其可見(jiàn)光和近紅外光呈現(xiàn)高透過(guò)；當(dāng)溫度高于相變溫度，其對(duì)紅外光呈現(xiàn)高反射。

圖3. PNIPAm和VSP微凝膠粒徑與溫度的響應(yīng)曲線(xiàn)。當(dāng)溫度低于臨界相變溫度（30℃）時(shí)，體系中的粒徑增大，形成連續(xù)相，呈現(xiàn)各向同性，此時(shí)光譜透過(guò)率高，顯現(xiàn)低溫高透明狀態(tài)，從而使室內(nèi)溫度升高；當(dāng)溫度高于臨界相變溫度時(shí)，體系中的粒徑縮小，相互分離，與水相形成兩相，呈現(xiàn)各向異性，使得光線(xiàn)在體系中發(fā)生折射和散射，光譜透過(guò)率低，顯現(xiàn)高溫不透明狀態(tài)，從而阻止室內(nèi)溫度上升。

圖4. 不同含量V0.8W0.2O2@SiO2的熱致變色性能。當(dāng)溫度為20℃時(shí)，隨著V0.8W0.2O2含量的增加，VSP在200-2500nm特別是可見(jiàn)光區(qū)域，呈現(xiàn)透過(guò)率逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)升溫到40℃后，其光譜的透過(guò)率相對(duì)于20℃整體有明顯的降低。隨著V0.8W0.2O2含量的逐漸增加，材料的?Tsol呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

圖5. 圖片展示了使用VSP填充30厘米×30厘米的大尺寸夾層玻璃中空層的過(guò)程，該裝置的制備方法簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模生產(chǎn)和制造。值得強(qiáng)調(diào)的是，VSP的熱致變色參數(shù)相比于目前報(bào)道的其他VO2基熱致變色薄膜性能突出。

  大尺寸的智能窗室外測(cè)試實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成員于2020年9月8日放置于江蘇省南京市棲霞區(qū)（北緯32°7''16"，東經(jīng)118°57''19"）的南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院大樓前測(cè)試完成。在室外太陽(yáng)光照射下，團(tuán)隊(duì)成員連續(xù)觀察智能窗的透光率隨溫度變化的遞變情況。結(jié)果顯示，VSP智能窗在清晨和中午分別顯示了透明和乳白色，具有優(yōu)異的熱致變色特性。

  通過(guò)離子摻雜和乳液聚合，團(tuán)隊(duì)成功獲得了一種兼具高可見(jiàn)光透過(guò)率和高太陽(yáng)光調(diào)節(jié)效率的新型有機(jī)-無(wú)機(jī)智能窗材料，其獨(dú)特結(jié)構(gòu)賦予該材料優(yōu)異的節(jié)能降溫性能。同時(shí)，該制備技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)節(jié)能降溫方式相比，該智能窗無(wú)需額外能耗，可自動(dòng)感知周?chē)h(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)變色和調(diào)溫，最終使室內(nèi)獲得“冬暖夏涼”式的舒適環(huán)境，從而減少因制冷和采暖產(chǎn)生的能耗。該工作為高性能智能節(jié)能窗的設(shè)計(jì)和制備提供了一種新的思路和有效途徑。文章第一作者為張榮副研究員，通訊作者為徐磊副研究員和唐少春教授。該工作獲得了江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所夏禮如所長(zhǎng)和東華大學(xué)管清寶副研究員的幫助和支持。

  原文鏈接：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

通訊作者簡(jiǎn)介

徐磊 副研究員，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所農(nóng)用新材料團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院材料系博士后，江蘇大學(xué)材料學(xué)碩士生導(dǎo)師。主要研究方向包括生物基材料研發(fā)與應(yīng)用、智能材料與傳感器件、節(jié)能材料與應(yīng)用。

唐少春 教授，南京大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，美國(guó)斯坦福大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，南京大學(xué)海安高新技術(shù)研究院院長(zhǎng)。主要研究方向包括：降溫/光熱薄膜材料的制備與應(yīng)用、低維納米碳基功能復(fù)合材料及傳感器件、超級(jí)電容/鋰（鈉）電池材料及柔性器件、相變儲(chǔ)能/降溫薄膜材料及節(jié)能技術(shù)。

第一作者簡(jiǎn)介

張榮 副研究員，現(xiàn)為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院唐少春教授團(tuán)隊(duì)成員，主要研究領(lǐng)域是聚合物基光熱功能復(fù)合材料。