目前，建筑物普遍采用的供暖、通風(fēng)系統(tǒng)以及空調(diào)等傳統(tǒng)控溫方式造成的碳排放約占我國碳排放總量的一半以上，對(duì)我國生態(tài)環(huán)境發(fā)展造成了深遠(yuǎn)的影響。因此，迫切需要開發(fā)一類低能耗或者零能耗的建筑物熱管理技術(shù)，以助力實(shí)現(xiàn)我國“雙碳” 目標(biāo)。作為一項(xiàng)可行的技術(shù)，近年來，基于電（熱）致變材料的智能窗戶憑借其可逆的光學(xué)切換特性、出色的調(diào)制效率而被廣泛報(bào)道。然而，現(xiàn)有的絕大多數(shù)電（熱）致變色智能窗在炎熱的夏季時(shí)切換成著色態(tài)，僅通過阻擋太陽光的射入來抑制室內(nèi)升溫，不能實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的降溫；而冬季時(shí)切換成褪色態(tài)，使陽光射入室內(nèi)升溫，但不能實(shí)現(xiàn)被動(dòng)光熱轉(zhuǎn)化升溫。
為解決上述難題，近日，煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所相關(guān)研究人員將纖維素納米晶（cellulose nanocrystals, CNCs）自組裝涂層與導(dǎo)電聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）相結(jié)合，制備了集被動(dòng)日間輻射制冷與光熱升溫于一身的電致變色智能窗。纖維素納米晶自組裝涂層內(nèi)部豐富的C-O-C和C-O 基團(tuán)，使其在大氣透明窗口具有高中紅外發(fā)射率，此外，自組裝涂層內(nèi)部獨(dú)特的手性向列型液晶結(jié)構(gòu)，可以選擇性的反射左旋偏振光和透過右旋偏振光，同時(shí)具有較高的太陽光反射率和光透過率，因此，調(diào)節(jié)電壓使PEDOT呈現(xiàn)氧化褪色態(tài)時(shí)，該智能窗顯示纖維素納米晶自組裝材料的結(jié)構(gòu)色，在炎熱的夏季可以實(shí)現(xiàn)輻射制冷；調(diào)節(jié)電壓至著色態(tài)時(shí)，該智能窗顯示PEDOT還原態(tài)深藍(lán)色，在冬季戶外面對(duì)太陽光照射時(shí)由于導(dǎo)電聚合物的光熱效應(yīng)，可以引起內(nèi)部溫度的升高。此外，該智能窗還可以保證夜晚的隱私效果（圖1）。
圖1電致變色智能窗制冷-光熱控制原理。
作者首先測(cè)試了該電致變色智能窗在室內(nèi)的熱管理性能。用不同功率的氙燈光源照射智能窗，同時(shí)調(diào)節(jié)電源，測(cè)試智能窗在褪色態(tài)時(shí)的輻射制冷效果以及著色態(tài)時(shí)的光熱升溫效果（圖2）。利用紅外相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其表面溫度，研究發(fā)現(xiàn)，該智能窗在室內(nèi)環(huán)境下表現(xiàn)出出色的輻射制冷/制熱效果。
圖2電致變色智能窗室內(nèi)制冷-光熱性能表征。
隨后，作者在戶外驗(yàn)證了該智能窗夏季和冬季的輻射制冷及光熱升溫效果。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在炎熱的夏季（2023年7月22日），該智能窗內(nèi)部與環(huán)境溫度相比，可以實(shí)現(xiàn)6.8 oC的降溫；在冬季時(shí)（2023年11月12日），與環(huán)境溫度相比，由于其出色的光熱轉(zhuǎn)換效果，與環(huán)境溫度相比，內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)30.7度的升溫（圖3）。此外，該電致變色智能窗還具有出色的穩(wěn)定性，經(jīng)過兩小時(shí)的著色態(tài)-褪色態(tài)多次切換，該智能窗制冷-制熱性能保持穩(wěn)定。
圖3電致變色智能窗戶外制冷-光熱性能測(cè)試。
在冬季時(shí)，由于外界早晚光照強(qiáng)度和溫差過大，可以通過調(diào)節(jié)電壓，控制透光率，保持室內(nèi)溫度的恒定舒適；夏季時(shí)，由于褪色態(tài)時(shí)纖維素納米晶材料優(yōu)異的輻射制冷性能，因此也能保持室內(nèi)溫度的涼爽。最后，該團(tuán)隊(duì)還利用軟件模擬了該電致變色智能窗應(yīng)用到世界上不同地區(qū)的節(jié)能減排效果。結(jié)果表明，該智能窗應(yīng)用到南北半球不同地區(qū)均具有出色的節(jié)能效果，并可以有效地降低二氧化碳的排放（圖4）。
圖4電致變色智能窗在不同季節(jié)、不同城市的節(jié)能減排模擬數(shù)據(jù)。
本研究成功開發(fā)了一種集合纖維素納米晶自組裝材料被動(dòng)輻射制冷性能和導(dǎo)電聚合物電致變色及光熱升溫于一身的智能窗。在炎熱的夏季，通過切換外接電壓至褪色態(tài)，由于纖維素納米晶自組裝材料內(nèi)部高紅外發(fā)射率及太陽光反射率，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)被動(dòng)降溫；在寒冷的冬季時(shí)，切換外接電壓至器件呈現(xiàn)著色態(tài)，由于導(dǎo)電聚合物PEDOT出色的光熱轉(zhuǎn)換效果，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的升溫；此外，還可以通過調(diào)節(jié)電壓以調(diào)控智能窗的可見光透光率，達(dá)到夜晚保護(hù)隱私的效果。隨著進(jìn)一步的研究和優(yōu)化，該智能窗材料有望在未來的綠色建筑領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，以緩解全球氣候變化和能源危機(jī)。上述工作近期以Electrically Controlled Smart Window for Seasonally Adaptive Thermal Management in Buildings為題發(fā)表在Small雜志上。論文第一作者為煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室的助理研究員馮凱博士，通訊作者為煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的吳楊研究員與馬延飛研究員。該工作是該團(tuán)隊(duì)最近在智能熱管理防護(hù)涂層材料領(lǐng)域的最新工作之一。在今年，該團(tuán)隊(duì)利用纖維素納米晶自組裝涂層的高紅外發(fā)射率及太陽光發(fā)射率，報(bào)道了一種應(yīng)用于建筑物降溫及個(gè)人熱管理的涂層，實(shí)現(xiàn)高輻射制冷效率與透明性的統(tǒng)一（Chem. Eng. J. 2024, 488, 151176）；發(fā)展了一種具有防除冰和熱管理性能的可逆熱致變色相變儲(chǔ)熱涂層（Chem. Eng. J. 2024, 482, 148837.）；開發(fā)了一種用于高效防冰/除冰和防霧的堅(jiān)固透明光熱全疏涂層（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 35805-35814.）；設(shè)計(jì)并制備了一種多層復(fù)合熱管理防護(hù)涂層體系，實(shí)現(xiàn)表面夏季輻射制冷與冬季電熱除冰的功能（Surf. Coat. Tech. 2024, 485, 130927）。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202407033
