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  節(jié)能智能窗對高可見光透明度和強太陽能調(diào)制能力的要求很高，但傳統(tǒng)的響應材料通常透明度低，太陽能透射范圍窄，在設施溫室周年生產(chǎn)中，夏季保持生產(chǎn)適宜溫度所需耗費的能源巨大。近日，江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)用新材料創(chuàng)新團隊和南京大學唐少春教授團隊在知名期刊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，報道了一種新型熱致變色“智能窗”材料V_1-xW_xO₂@SiO₂/PNIPAm的設計、合成及其在建筑節(jié)能方面的前瞻性應用。通過復合不同光響應波段的功能材料，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高度透明，可在低溫下透過太陽光，而當暴露在陽光下時，它會自動變?yōu)椴煌该饕郧袛嗵柲茉黾拥臒崃�，這兩種模式能自動可逆切換。鎢摻雜使相變溫度降低至室溫~30℃，遠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)出超高可見光透光率（達到92.48％），變溫太陽光譜調(diào)控率達到77.20％。特別是，智能窗在白天戶外測試中表現(xiàn)出出色的節(jié)能效果，能夠使室內(nèi)溫度實際降低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計和制備提供了一種新思路，在設施農(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，若實現(xiàn)了對熱量傳遞的智能調(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，它們在晝夜、冷熱快速交替與四季變化的復雜自然環(huán)境中無法自發(fā)響應溫度變化（即按需調(diào)節(jié)）。由于太陽輻射是室內(nèi)熱量的主要來源，其47%的能量分布在近紅外波段（750?2500 nm），若玻璃能夠自動感知周圍環(huán)境溫度并對近紅外光進行智能調(diào)控，那將有助于提升建筑物的節(jié)能降溫效果。目前報道的熱致變色型智能窗材料在應用基礎研究方面還存在諸多問題，如高于室溫的金屬?半導體相變溫度、低可見光透過率和低太陽光調(diào)節(jié)效率等。這些問題直接影響了材料的光學性能，進而對玻璃窗的節(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，隨著時間的延長，窗戶具有明顯的熱致變色效應，且其在500nm處的可見光透過率也隨之降低。將該智能窗材料應用于建筑窗，能有助于實現(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。當溫度低于相變溫度時，其可見光和近紅外光呈現(xiàn)高透過；當溫度高于相變溫度，其對紅外光呈現(xiàn)高反射。

圖3. PNIPAm和VSP微凝膠粒徑與溫度的響應曲線。當溫度低于臨界相變溫度（30℃）時，體系中的粒徑增大，形成連續(xù)相，呈現(xiàn)各向同性，此時光譜透過率高，顯現(xiàn)低溫高透明狀態(tài)，從而使室內(nèi)溫度升高；當溫度高于臨界相變溫度時，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，使得光線在體系中發(fā)生折射和散射，光譜透過率低，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。當溫度為20℃時，隨著V0.8W0.2O2含量的增加，VSP在200-2500nm特別是可見光區(qū)域，呈現(xiàn)透過率逐漸增加的趨勢。當升溫到40℃后，其光譜的透過率相對于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。

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程，該裝置的制備方法簡單，易于大規(guī)模生產(chǎn)和制造。值得強調(diào)的是，VSP的熱致變色參數(shù)相比于目前報道的其他VO2基熱致變色薄膜性能突出。

  大尺寸的智能窗室外測試實驗，團隊成員于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"）的南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院大樓前測試完成。在室外太陽光照射下，團隊成員連續(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。

  通過離子摻雜和乳液聚合，團隊成功獲得了一種兼具高可見光透過率和高太陽光調(diào)節(jié)效率的新型有機-無機智能窗材料，其獨特結(jié)構(gòu)賦予該材料優(yōu)異的節(jié)能降溫性能。同時，該制備技術(shù)具有工藝簡單、成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。與傳統(tǒng)節(jié)能降溫方式相比，該智能窗無需額外能耗，可自動感知周圍環(huán)境溫度實現(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)能窗的設計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)科學院農(nóng)業(yè)設施與裝備研究所夏禮如所長和東華大學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

通訊作者簡介

徐磊 副研究員，江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設施與裝備研究所農(nóng)用新材料團隊負責人，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院材料系博士后，江蘇大學材料學碩士生導師。主要研究方向包括生物基材料研發(fā)與應用、智能材料與傳感器件、節(jié)能材料與應用。

唐少春 教授，南京大學教授，博士生導師，美國斯坦福大學訪問學者，南京大學海安高新技術(shù)研究院院長。主要研究方向包括：降溫/光熱薄膜材料的制備與應用、低維納米碳基功能復合材料及傳感器件、超級電容/鋰（鈉）電池材料及柔性器件、相變儲能/降溫薄膜材料及節(jié)能技術(shù)。

第一作者簡介

張榮 副研究員，現(xiàn)為南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院唐少春教授團隊成員，主要研究領(lǐng)域是聚合物基光熱功能復合材料。