隨著全球能源消耗的持續(xù)增長，建筑物約占總能源使用量的 40%，其中近一半用于供暖和制冷。窗戶作為室內(nèi)和室外環(huán)境之間能量交換的主要接口，造成了 20-40% 的能量損失。為了解決這個(gè)問題，開發(fā)節(jié)能智能窗戶，在保持自然光和美學(xué)的同時(shí)最大限度地減少能源消耗已成為可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵重點(diǎn)。

 鑒于選擇性調(diào)控可見光與近紅外的特性，雙波段電致變色智能窗可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光與熱的智能化管理，可顯著降低建筑能耗，比傳統(tǒng)電致變色智能窗可以節(jié)約10~20%的能耗。然而目前雙波段電致變色智能窗仍存在調(diào)控幅度低、使用壽命短等問題。

近期，南京航空航天大學(xué)張校剛/張圣亮團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種高效柔性雙功能雙波段電致變色器件，集光譜選擇性調(diào)控與能量回收一體，獲得了較高的光學(xué)調(diào)制幅度、長循環(huán)壽命(10000圈容量損失3.3%)以及較高的能量回收效率(51.4%)。該器件通過三種不同的模式(明亮、清涼和黑暗)可實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光和近紅外透過率的獨(dú)立調(diào)控，展現(xiàn)了優(yōu)異的節(jié)能性能(比普通玻璃低8.8℃)。此外，EnergyPlus模擬研究表明該器件在世界大多數(shù)氣候區(qū)都展現(xiàn)出比商用低輻射玻璃更加優(yōu)異的節(jié)能性能。文章發(fā)表在《納微快報(bào)》（Nano-Micro Letters）上。

DOI：10.1007/s40820-024-01604-0

核心技術(shù)與性能

這種創(chuàng)新窗口的核心在于其 W18O49 納米線結(jié)構(gòu)，能夠精確控制可見光和近紅外光譜中的光調(diào)制。這種雙頻電致變色器件 （DBED） 具有出色的光調(diào)制范圍（可見光為 73.1%，近紅外為 85.3%）和超長的使用壽命，10,000 次循環(huán)后容量損失最小 （3.3%）。此外，它還擁有 51.4% 的能量回收效率，其中著色過程中消耗的能源被回收利用，從而降低了整體凈能耗。

當(dāng)集成到建筑物中時(shí)，該設(shè)備不僅可以優(yōu)化熱調(diào)節(jié)，還可以在各種氣候區(qū)表現(xiàn)出出色的性能。根據(jù) EnergyPlus 模擬，DBED 在大多數(shù)全球氣候下的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的低輻射玻璃，可節(jié)省大量能源。它能夠選擇性地調(diào)制多個(gè)波長的光和熱，確保顯著減少加熱和冷卻所需的能量。

論文摘錄

I W??O?? NWs的制備與表征

采用溶劑熱法合成W??O?? NWs。并證實(shí)合成的W??O??為單斜晶相的納米線結(jié)構(gòu)。XPS譜圖和EPR測試結(jié)果證實(shí)了納米線氧空位的存在，這為離子嵌入和擴(kuò)散提供了較大的空間，有助于提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性和雙波段電致變色性能。

圖1. (a)W??O?? NWs的XRD圖譜；(b)W??O?? NWs的透射電子顯微鏡(TEM)圖像和(c)高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像；(d)W??O?? NWs的W 4f X射線光電子能譜(XPS)圖；(e)W??O?? NWs的電子順磁共振(EPR)信號(hào)和(f)拉曼光譜。

II W??O?? NW薄膜的電化學(xué)和電致變色性能

采用超聲波噴涂法制備了柔性W??O?? NW薄膜，W??O?? NW薄膜具有優(yōu)異的雙波段電致變色性能。在633和1200 nm處分別顯示出73.1%和85.3%的高光學(xué)調(diào)制范圍。此外，W??O?? NW薄膜還展示出快速的響應(yīng)速度(在633和1200 nm處著色和褪色時(shí)間分別為14.2/4.8 s和12.0/10.8 s)、良好的著色效率(圖2d-f)和高的離子擴(kuò)散系數(shù)(圖2i)。

通過對(duì)W??O?? NW薄膜進(jìn)行電化學(xué)和原位光譜測試，證實(shí)了其近紅外和可見光的電致變色調(diào)控機(jī)制可以分別歸因于LSPR和極化子吸收效應(yīng)(圖2g和h)。圖2j所示的非原位XRD測量結(jié)構(gòu)表明，W??O?? NW在Li?吸收和插層過程中沒有發(fā)生相變，這有利于提高循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)W??O?? NW也具有良好的倍率性能和儲(chǔ)能能力。

圖2. (a)W??O?? NW薄膜的表面和截面(插入)SEM圖像；(b)W??O?? NW薄膜在亮、冷、暗模式下的透光光譜和；(c)太陽輻照度光譜；(d)633 nm實(shí)時(shí)透射光譜；(e)1200 nm實(shí)時(shí)透射光譜；(f)W??O?? NW薄膜的光密度隨注入電荷密度的變化；(g)W??O?? NW薄膜在不同掃描速率下的循環(huán)伏安圖；(h) W??O?? NW薄膜在0.1 M TMA?/PC電解質(zhì)中不同電位下的透射光譜；(i)相應(yīng)的陰極峰值電流與掃描速率平方根的函數(shù)；(j)W??O?? NW薄膜在原始狀態(tài)和 -0.2 V、-1 V和 +1 V下的X射線衍射圖；(k)不同電流密度下W??O?? NW薄膜的恒流充放電曲線；(m)面積電容隨電流密度的函數(shù)關(guān)系。

III W??O?? NW器件結(jié)構(gòu)及大面積實(shí)物圖

根據(jù)全電池結(jié)構(gòu)，將超聲噴涂的W??O?? NW薄膜正極和多孔聚苯胺(PANI)負(fù)極組成柔性雙波段電致變色器件(DBED)，所組裝的柔性雙波段電致變色器件在633和1200 nm處分別顯示出51.7%和60.0%的高光學(xué)調(diào)制范圍(圖3b)。并且該電致變色器件可實(shí)現(xiàn)柔性大面積器件的制備(圖3d-f)，為設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能柔性電致變色材料提供理論依據(jù)和可行性方案。

圖3. (a)基于W??O?? NW陰極和PANI陽極的柔性DBED結(jié)構(gòu)示意圖；(b)DBED(尺寸：7 × 7 cm2)在亮(1.5 V)、冷(-0.5 V)、暗(-1.5 V)模式下的透過率光譜，(c)太陽輻照度光譜和(d?f)對(duì)應(yīng)的數(shù)碼照片。

IV W??O?? NW器件的電化學(xué)和電致變色性能

除了優(yōu)異的光譜選擇性調(diào)控外，DBED還具有快速的響應(yīng)時(shí)間(在633和1200nm處tc/tb分別為8.8/15.6 s和5.0/11.2 s、良好的雙穩(wěn)態(tài)(圖4a和b)和優(yōu)異的節(jié)能性能。得益于W??O?? NWs在Li?嵌入/脫嵌過程中具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，DBED展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在10,000次循環(huán)后，其容量保留率為96.7%(圖4c和e)。

圖4. (a)DBED在633 nm (-1.5 ~ 1.5 V)和(b)1200 nm (-0.5 ~ 1.5 V)處的實(shí)時(shí)透射率光譜；(c)在1.5、-0.5和-1.5 V電壓作用60 s 后，開路條件下633和1200 nm處的透過率變化；(d)DBED在1 mA cm?2電流密度下，于-1.5至1.5 V之間經(jīng)過10,000次恒流充放電循環(huán)后的歸一化容量；(e)10,000次循環(huán)前后DBED的透過率光譜；安裝DBED的樣板房在模擬陽光(f)照射20分鐘前和(g)照射20分鐘后的數(shù)碼照片；(h)安裝DBED和普通玻璃的模型屋的溫度變化。

V EnergyPlus節(jié)能模擬評(píng)估

為了進(jìn)一步探索DBED的節(jié)能性能，通過建模與模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的DBED在幾乎所有不同的氣候條件下都比商用low-e玻璃具有更高的節(jié)能性能，節(jié)能高達(dá)178.3 MJ m?2 (Phoenix)，進(jìn)一步證明了DBED在節(jié)能建筑方面的潛力。

圖5. (a)EnergyPlus小型辦公室原型建筑模型；(b)南京7月氣候條件下DBED在明亮、涼爽、黑暗和最低能耗狀態(tài)下的小時(shí)能耗；(c)南京氣候條件下DBED和low?e玻璃的月能耗；(d)全球不同氣候帶DBED的制熱和制冷節(jié)能效果。

VI 柔性雙波段電致變色器件的儲(chǔ)能與能量回收性能

由于器件結(jié)構(gòu)和工作原理與可充電電池相似，DBED還具有能量回收功能。DBED的能量回收效率(放電過程中釋放的能量/著色過程中消耗的能量)高達(dá)51.4%，可以顯著降低器件的凈能耗。

圖6. (a)不同電流密度下DBED的恒流充放電曲線和(b)面電容；(c)-1.5 V下60 s的恒電位充電曲線(黑線)，0.05 mA m?2電流密度下的恒流放電曲線(紅線)；恒電位充電曲線(紫色線)在1.5 V下持續(xù)30 s；以及原位測量的633 nm處透射率的相應(yīng)變化(藍(lán)線)；(d)兩個(gè)DBED供電的電子鐘和(e)LED數(shù)碼照片(尺寸：5 × 4 cm2)。

可擴(kuò)展性和未來潛力

該設(shè)備的靈活性和可擴(kuò)展性，加上其高光調(diào)制和能量回收能力，標(biāo)志著可持續(xù)建筑材料的發(fā)展向前邁出了重要一步。研究人員還證明，該設(shè)備可以在不影響性能的情況下擴(kuò)展到大尺寸，為在節(jié)能建筑中廣泛采用提供了廣闊的潛力。

盡管取得了成功，但在大規(guī)模生產(chǎn)和成本效益方面仍然存在挑戰(zhàn)。未來的研究將側(cè)重于提高材料穩(wěn)定性并將該技術(shù)更無縫地集成到現(xiàn)有建筑系統(tǒng)中。此外，針對(duì)大眾市場應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)可以為下一代節(jié)能智能窗戶鋪平道路。

總之，這種新穎的電致變色器件為智能窗戶提供了一種突破性的解決方案，將能源效率、靈活性和儲(chǔ)能相結(jié)合，重新定義了可持續(xù)建筑技術(shù)的未來。隨著進(jìn)一步的研究釋放其全部潛力，它可以為智能建筑設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)，為全球更可持續(xù)、更節(jié)能的建筑提供一條途徑。

產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢

政策驅(qū)動(dòng)與市場需求結(jié)合

中國“雙碳”目標(biāo)下，建筑節(jié)能政策持續(xù)加碼。住建部計(jì)劃2025年前所有2000年前老舊小區(qū)納入改造范圍，涉及22萬個(gè)小區(qū)，其中節(jié)能門窗改造是核心需求。節(jié)能門窗市場2025年預(yù)計(jì)突破700億元，年復(fù)合增長率超10%，智能電致變色窗占比也將顯著提升。

可能取得先機(jī)的城市布局

1.長三角地區(qū)

2.雄安新區(qū)與京津冀

3.粵港澳大灣區(qū)

素材來源：納微快報(bào)，科學(xué)網(wǎng)等