河南大學(xué)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)了可大規(guī)模生產(chǎn)的智能調(diào)光窗，節(jié)能效果顯著

近日，國(guó)際頂尖材料學(xué)期刊《先進(jìn)功能材料》發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種新型電致變色薄膜及其高效、環(huán)保的大面積制造技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)智能節(jié)能窗戶的規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

智能窗戶新突破：高效、快速、大面積制造

電致變色智能窗戶能夠通過(guò)施加微小電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)透光率，從而有效管理進(jìn)入建筑物的太陽(yáng)光和熱量，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，高性能電致變色薄膜的大規(guī)模、低成本制造一直是個(gè)技術(shù)難題。

來(lái)自河南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地采用狹縫涂布技術(shù)和環(huán)保水性墨水，成功實(shí)現(xiàn)了具有Wadsley-Roth晶體剪切結(jié)構(gòu)的新型鈦鈮氧化物（TiNb?O?）薄膜的高速制備，制備速率高達(dá)每分鐘600平方厘米。

性能卓越：透光調(diào)節(jié)顯著，響應(yīng)迅速

得益于其獨(dú)特的開(kāi)放晶體剪切通道結(jié)構(gòu)，該TiNb?O?薄膜為鋰離子傳輸提供了高效路徑，離子擴(kuò)散能壘低至0.22 eV。這使得薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的電致變色性能：

高光學(xué)調(diào)制率：在600納米波長(zhǎng)下，透光率調(diào)制幅度高達(dá)82.8%。

器件表現(xiàn)：從實(shí)驗(yàn)室到戶外應(yīng)用

基于該薄膜，研究團(tuán)隊(duì)成功組裝了面積最大達(dá)200平方厘米的大面積電致變色器件。這些器件展現(xiàn)出均勻可逆的顏色變化、高達(dá)64.6%的光學(xué)調(diào)制率以及快速的切換速度（23.4/12.4秒）。

在光熱管理性能測(cè)試中：

在氙燈模擬太陽(yáng)光照射下，器件可實(shí)現(xiàn)18.8°C的顯著溫度調(diào)控范圍。

在中國(guó)河南的實(shí)際戶外測(cè)試中器件在白天9小時(shí)的連續(xù)測(cè)試中，相比普通雙層玻璃窗，實(shí)現(xiàn)了最高約5.0°C的溫度調(diào)控。

能源模擬分析（使用OpenStudio和EnergyPlus軟件）進(jìn)一步證明，該智能窗戶在夏威夷火奴魯魯?shù)葴嘏瘹夂虻貐^(qū)，每年每平方米可節(jié)約155 MJ的能量，相當(dāng)于減少43公斤的二氧化碳排放。

圖1 狹縫涂布制備意圖及大面積薄膜展示

圖2 樣品結(jié)構(gòu)及組成分析

圖3 材料的電化學(xué)和電致變色性能

圖4 材料的變色機(jī)制分析

圖5 動(dòng)態(tài)光熱管理性能

意義與前景：為綠色建筑賦能

此項(xiàng)研究的突破性不僅在于開(kāi)發(fā)了一種高性能電致變色材料，更在于提供了一條環(huán)保、高效、可規(guī)?；谋∧ぶ圃炻窂健Ｔ摷夹g(shù)采用水基墨水，避免了傳統(tǒng)工藝中有毒有機(jī)溶劑的使用，且制備速度快、面積大、均勻性好。

這項(xiàng)工作不僅為高性能電致變色薄膜的規(guī)模化生產(chǎn)提供了一種可行的涂層策略，也為智能窗戶和節(jié)能應(yīng)用領(lǐng)域先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)與制造提供了寶貴的見(jiàn)解，有望加速智能節(jié)能窗戶的商業(yè)化進(jìn)程，為全球建筑節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有力的技術(shù)支撐?！?/p>

隨著全球?qū)ㄖ?jié)能需求的日益增長(zhǎng)，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將為未來(lái)綠色、智能建筑的普及打開(kāi)一扇新的“窗戶”。

論文信息：

標(biāo)題: Unlocking Scalable Manufacturing of Electrochromic Windows: Wadsley-Roth TiNb?O? Films with Open Shear Channels for Intelligent Photo-Thermal Management

期刊: Advanced Functional Materials

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202527930

作者簡(jiǎn)介：

蔡國(guó)發(fā)，二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者，河南省杰青、河南省特聘教授，感光學(xué)會(huì)電致變色專業(yè)委員會(huì)副主任兼秘書(shū)長(zhǎng)，連續(xù)入選斯坦福大學(xué)2022至2025年全球前2%頂尖科學(xué)家“年度影響力排行榜”，榮獲第27屆河南青年五四獎(jiǎng)?wù)隆，F(xiàn)工作于河南大學(xué)納米科學(xué)與材料工程學(xué)院、特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高效照明與顯示國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心。主要研究方向?yàn)殡娭伦兩{米材料與大尺寸多功能器件，截止目前，以第一/通訊作者在Sci. Adv.、Adv. Mater.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today、Acc. Chem. Res.等期刊上發(fā)表論文70余篇。論文他引9000余次，ESI高被引10篇，最高他引次數(shù)為990余次，H因子48，主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利10件。