近日，中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳經(jīng)緯副教授課題組在建筑節(jié)能用新型光熱調(diào)控電致變色智能窗領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（《自然·通訊》）和ACS Energy Letters（《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)能源快報(bào)》），并在期刊Nature Reviews Clean Technology（《自然綜述·清潔技術(shù)》）發(fā)表綜述論文。

現(xiàn)代建筑能耗約占全球總能耗的40%，而窗戶承擔(dān)了大量建筑內(nèi)外光熱交換，能效極低。動(dòng)態(tài)光熱調(diào)控智能窗技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。在各類智能窗中，基于可逆金屬電沉積（RME）機(jī)制的電致變色智能窗具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中性著色可寬帶光譜調(diào)控等優(yōu)勢(shì)，但其電極/電解液界面穩(wěn)定性不足，對(duì)器件的沉積/剝離動(dòng)力學(xué)和化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性造成了一定影響，并對(duì)器件的耐候性和規(guī)模化制備等方面帶來(lái)了挑戰(zhàn)。研發(fā)兼具快速動(dòng)力學(xué)、優(yōu)異穩(wěn)定性、生物兼容性及環(huán)境友好性的電解質(zhì)，是推動(dòng)該技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。

準(zhǔn)固態(tài)銅鋅雙金屬可逆電沉積智能窗工作機(jī)制與光熱調(diào)控示意圖

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，近日，課題組聯(lián)合中國(guó)海洋大學(xué)王煥磊教授、新加坡南洋理工大學(xué)Lee Pooi See院士研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由Cu/Zn雙金屬鹽和聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的準(zhǔn)固態(tài)水凝膠電解質(zhì)，并通過(guò)優(yōu)化電解質(zhì)中銅鋅比例和pH值，實(shí)現(xiàn)了高度可逆的CuZn沉積/剝離過(guò)程。該器件獲得了78%的透光率調(diào)制幅度、超過(guò)3000次的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性（光學(xué)調(diào)制保持率＞90%），以及快速的著色/褪色切換速度。此外，水凝膠電解質(zhì)有效抑制了水分子間強(qiáng)氫鍵的形成，有效提升了器件的抗凍性（-20℃），并在可回收準(zhǔn)固態(tài)智能窗中實(shí)現(xiàn)了防泄漏、長(zhǎng)記憶效應(yīng)、可團(tuán)案化和高效的隔熱性能，在全球不同溫區(qū)可以實(shí)現(xiàn)18%至33%的節(jié)能效果，展現(xiàn)出成本效益與耐用性。

相關(guān)論文以“Recyclable quasi-solid-state dynamic windows via reversible dual-metal electrodeposition for building energy modulation”（面向建筑能效調(diào)控的可逆雙金屬電沉積型可回收準(zhǔn)固態(tài)動(dòng)態(tài)智能窗）為題發(fā)表于《自然·通訊》，第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院2023級(jí)海洋材料科學(xué)與工程專業(yè)博士研究生徐兵，中國(guó)海洋大學(xué)為第一通訊單位。

CuZn合金梯度可逆電沉積工作模式及沉積效果示意圖

課題組前期也開(kāi)發(fā)了一種基于銅鋅合金梯度可逆電沉積（CuZn-RAE）的智能窗技術(shù)，利用銅離子較高的電化學(xué)還原電勢(shì)和優(yōu)異的親鋅性，在銅鋅電解液中實(shí)現(xiàn)了銅優(yōu)先形核引導(dǎo)后續(xù)鋅沉積的梯度沉積機(jī)制，有效降低了沉積活化能（19.2 kJ mol-1），實(shí)現(xiàn)了均勻的納米球狀沉積、82%的高光學(xué)調(diào)制范圍和中性著色特性，顯著提升了智能窗的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性（1400次循環(huán)后透光調(diào)制保持率＞92%）和光熱調(diào)控性能。

相關(guān)論文以“Color-Neutral Smart Window Enabled by Gradient Reversible Alloy Deposition”（梯度可逆合金沉積賦能中性著色智能窗）為題發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)能源快報(bào)》，該論文的第一作者是材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級(jí)材料工程專業(yè)碩士研究生張贏心，中國(guó)海洋大學(xué)為第一通訊單位。

電致變色智能窗戶的光熱調(diào)節(jié)機(jī)制

基于在光熱調(diào)控電致變色智能窗領(lǐng)域的持續(xù)研究積累，課題組聯(lián)合山東大學(xué)和加拿大阿爾伯塔大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，全面討論了無(wú)機(jī)電致變色智能窗（ESW）的工作模式、組裝工藝和實(shí)施方法。該合作論文詳細(xì)探討了ESW能效、材料選擇、電化學(xué)過(guò)程和光熱調(diào)控性質(zhì)之間的聯(lián)系，指出在無(wú)機(jī)ESW中采用雙波段調(diào)控與可逆金屬沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并強(qiáng)調(diào)了提高成本效益、規(guī)?；a(chǎn)和長(zhǎng)期耐久性等方面的重要性。

相關(guān)綜述論文以“Inorganic electrochromic smart windows for advancing building energy efficiency”（面向建筑能效提升的無(wú)機(jī)電致變色智能窗）為題發(fā)表于《自然綜述·清潔技術(shù)》，中國(guó)海洋大學(xué)為通訊單位。

團(tuán)隊(duì)合影（第一排左三為陳經(jīng)緯副教授）

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東優(yōu)秀青年科學(xué)家基金項(xiàng)目（海外）以及中國(guó)海洋大學(xué)青年英才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)等多個(gè)項(xiàng)目資助。陳經(jīng)緯是中國(guó)海洋大學(xué)青年英才工程第二層次副教授，主要研究高效電化學(xué)儲(chǔ)能/節(jié)能材料及器件，包括電極/溶液界面質(zhì)荷傳輸動(dòng)力學(xué)調(diào)控，電致變色材料及器件光熱調(diào)控機(jī)制和多功能電致變色電池材料及器件等方向，以第一通訊作者在Nature Communications, Nature Reviews Clean Technology, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie, ACS Energy Letters, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等期刊發(fā)表SCI論文40余篇。

來(lái)源 / 材料科學(xué)與工程學(xué)院

作者 / 徐兵

編輯 / 鄧雨怡

責(zé)任編輯 / 張慧 劉蒞