窗户是太阳光辐射能量进入建筑室内的主要媒介，因此安装可以阻挡太阳光辐射和调节室内温度的智能化窗户对于节能建筑至关重要。
现有的智能窗户主要是通过透明和不透明两种光学状态间的切换来调控太阳光辐射，这一调控过程往往为了阻挡更多的太阳光辐射而牺牲了部分可见光的透过，从而影响室内采光照明。此外，有限的刺激响应使得这些智能窗户难以根据复杂的天气变化和个体喜好来动态或选择性的调控太阳光辐射。因此，开发能够选择性阻挡太阳辐射以应对复杂环境变化的智能窗户具有重要研究意义和应用价值。
近日，南方科技大学创新材料研究院、材料科学与工程系、化学系讲席教授俞书宏院士团队报道了一种基于一维功能纳米基元组装体的智能窗户制备新策略，可实现对不同波段太阳光辐射的动态调控，相关论文以“Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation”为题发表在Nature Communications上。
图1. 智能窗户的构筑和调制机理示意图。a.基于一维电致变色W18O49纳米线、导电Ag纳米线和Au纳米棒共组装的选择性光吸收电致变色智能窗户(SLE);b.基于不同W掺杂量的W-VO2纳米线共组装的宽响应范围热致变色智能窗户(WRT);c.在施加电压或环境温度的刺激下，智能窗户对于太阳光的调控和室内温度的控制。
利用气-液界面协同组装的方法，分别将电致变色、热致变色与光谱可调的纳米功能单元进行有序共组装，制备出可动态调控太阳光辐射的智能窗户。研究人员将多尺寸的Au 纳米棒混合物与电致变色W18O49纳米线和导电Ag纳米线共组装成有序的网状结构。通过外部供电，智能窗户的外观颜色发生显著改变。在Au纳米棒对红外光谱选择性吸收以及W18O49电致变色功能的协同作用下提高了窗户对于太阳光的阻挡性能（图1a）。采用相同界面共组装策略，研究人员基于不同W掺杂量W-VO2纳米线的共组装，制备出具有宽响应范围的热致变色智能窗户(WRT)。与单一类型VO2纳米线的热致变色窗户相比，该智能窗户将狭窄的响应温度从68°C扩展到30-50°C这一较宽的温度范围（图1b）。当智能窗户安装在房屋上时，它们会选择性地阻挡太阳辐射，并根据施加的电压或环境温度的变化动态调节室内温度（图1c）。
图2. 智能窗户的选择性光吸收谱。a. 不同尺寸Au纳米棒的吸收谱；b.选择光吸收-电致变色膜照片；c.电致变色膜和SLE膜在太阳光辐照 (AM 1.5G)下的透射光谱。d. SLE膜在可见光区、近红外区和整个太阳光波段的透射光强度;e-g. 通过红外摄像机实时记录模型室中心黑体的温度来检测智能窗户的调温性能。
首先，研究人员对通过上述方法制备的材料以及智能窗户的光谱吸收特性进行了表征（图2）。这些Au 纳米棒可以选择性吸收760-1360 nm波段的近红外光，不会过多影响到可见光的透过（图2a）。基于不同Au纳米棒组装而成的不同薄膜表现出了不同红外波段光吸收特性（图2c, d），作为智能窗户也表现出不同的隔热降温性能（图2e-g）。与普通玻璃或纯电致变色薄膜窗户（未着色状态）相比，这种具有Au纳米棒的智能窗户（SLE4）最高可以使室内温度降低3.7oC。
图3. 智能窗户中电致变色功能对太阳光谱的动态调控。a-c. 不同类型薄膜（普通EC薄膜，含有Au纳米棒的SLE4薄膜）的电致变色性能及其在褪色和着色状态下的太阳光谱透过率表征; d-f. SLE4薄膜变色前后光学照片及其用于智能窗口的隔热降温性能表征; g-h. SLE4膜的电致变色性能表征，包括响应时间、机械性能和循环稳定性。
进一步，研究人员对SLE4薄膜的电致变色性能和太阳光谱调制性能进行了表征。结果表明SLE4薄膜在Au纳米棒被动调控太阳光谱的基础上，通过对W18O49纳米线施加工作电压，智能窗户可以实现对太阳光谱透过的主动调控，在变色后可以使实验模型中黑体温度降低4.8oC (变色前为3.7oC)。该薄膜具有良好的电致变色响应性（着色时间4.5-6.5 s，褪色时间5-6.5 s）以及机械稳定性（弯曲循环1000次后依然保持97%初始性能）。
图4. 智能窗口的宽温度响应性。a. 掺杂不同W含量VO2纳米线的DSC曲线；b-d. 含有多种W掺杂VO2纳米线薄膜（WRT4）照片及其在不同温度下的透过率调控性能；e-g.含有不同种类W掺杂VO2纳米线的热致变色薄膜的近红外光谱调控性能及其调温性能；h. WRT4薄膜的热循环稳定性测试。
此外，采用相同的界面组装策略，研究人员对不同W掺杂量的热变色W-VO2 NWs进行共组装，开发出宽响应范围热变色智能窗（图4），与基于单一类型VO2的热致变色窗户相比，该智能窗户将狭窄的响应温度从68°C扩展到30-50°C这一较宽的温度范围。在这种宽响应范围智能窗户中，处于热致变色状态下的W-VO2纳米线数量能够随着环境温度的变化而变化，从而动态调控智能窗户的变色性能。以WRT4为例，在低温时其红外光透过率接近90%，而在高温时其红外透过率仅为65%，同时保证可见光波段透过率基本不发生变化。不同类型热致变色薄膜可以实现不同的室内温度调控能力（在室外温度为40oC时最高可降低室内温度3.5oC）。经过1000次热循环后，薄膜依然保持优异的热致变色稳定性。
图5.智能窗户的实际控温性能及节能效率的模拟。a.安装SLE和WRT智能窗户模型房屋的红外图像，插图为安装SLE和WRT智能窗户模型房屋的实物照片。b-c.在实际太阳光照射下，SLE智能窗户和WRT智能窗户的实际控温效果。d. 选取利雅得为目标城市，使用普通玻璃窗户、SLE和WRT智能窗户带来的每月能量负荷。e.选取香港为目标城市，使用普通玻璃窗户、SLE和WRT智能窗户带来的每月能量负荷。f.在利雅得和香港使用普通玻璃窗户、SLE和WRT智能窗户带来的全年总能量负荷。
图5a-5c是SLE和WRT智能窗户在实际太阳光照射下的控温结果。研究人员通过进一步对建筑的功耗进行仿真模拟，分析出在不同气候类型的地区中，相较于普通玻璃窗户，SLE和WRT智能窗户可以在炎热的月份内节省下更多的能源功耗。
这项研究提出了一种基于多组分功能纳米基元的共组装策略实现了可用于太阳光谱调控智能窗户的快速构筑，通过调制多类型材料的组分和结构显著改善窗户的光学性能。这种共组装策略具有操作简便且易于大规模制备的优势，为今后新型电致变色和热致变色智能窗户的设计、制备和应用提供新的解决方案。
南科大材料科学与工程系助理教授王金龙为论文的共同第一作者，俞书宏为通讯作者。该研究得到了南科大科研启动及启动配套经费、新基石科学基金会、科技部国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38353-4
来源：南科大新闻网
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