俞书宏院士/刘建伟，最新Nature子刊！

成果简介

智能窗户具有调节阳光的光学特性，是高效热管理的一个有吸引力的选择，可以最大限度地减少能源消耗，提高室内生活舒适度。

中国科学技术大学刘建伟教授、俞书宏院士等人提出了一种可调谐元件和有序结构的电致变色和热致变色智能窗的共组装策略，以实现对太阳辐射的动态调节，从而有效提高智能窗的阳光调制和热管理能力。

首先，为了提高电致变色窗口的照明和冷却效率，调整了Au纳米棒的长宽比和混合类型，以选择性地吸收760~1360 nm的近红外波长范围。此外，当与电致变色W₁₈O₄₉纳米线在有色状态下组装时，Au纳米棒表现出协同效应，可以有效地阻挡大部分近红外光(超过90%)，并在1个太阳照射下产生相应的5°C冷却效应。

其次，为了在热致变色窗口内将固定的响应温量值扩展到30-50°C的更宽范围，作者仔细调节W-VO₂纳米线的掺杂量和混合类型。与VO₂固定相变温度(T_c=68℃)相比，不同W掺杂量的热致变色W-VO₂ NWs能够有效拓宽智能窗的温度刺激响应。

此外，该共组装方法还适用于制备尺寸为25×20 cm²的大面积智能窗户，突出了可扩展生产的潜力和在不同天气条件下的实际应用前景。

相关工作以《Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation》为题在《Nature Communications》上发表论文。值得注意的是，这也是俞书宏院士在《Nature Communications》上发表的第22篇论文。

图文导读

图1 智能窗的制作和调制机理示意图

界面协同组装方法是制备具有可调性能的智能窗口的一种通用而有效的方法，它涉及在界面上同时组装多种纳米材料以创建功能复合结构。图1a展示了基于纳米线的智能窗的制造过程和调节机制。为了创建选择性光吸收电致变色(SLE)智能窗口，合成并混合了具有窄吸收范围的不同长宽比的Au NRs，以覆盖760~1360 nm波段。然后，将多尺寸Au NR混合物与电致变色W₁₈O₄₉ NWs和导电Ag NWs一起组装成有序的网络结构，以精确调制近红外区域。该窗口能够选择性地吸收760~1360 nm的近红外波长范围，以提高照明和冷却效率，并且这些光学材料的协同作用可以显着提高在更高温度下的冷却效果。

采用相同的界面组装调节策略，通过对不同W掺杂量的热致变色W-VO₂ NWs进行共组装，开发了宽响应范围的热致变色(WRT)智能窗口，将固定的响应温量值扩展到宽温度响应范围。与使用单一类型VO₂ NWs的热致变色窗口的温度响应范围较窄相比，使用不同相变温度的W-VO₂ NWs的WRT智能窗口实现了30~50°C的宽温度响应范围。

这种宽响应范围使智能窗户能够随着环境温度的变化逐渐调节其挡光性能，从而有效地控制室内照明和温度(图1b)。如图1c所示，在房屋中安装智能窗户后，智能窗户会选择性地阻挡太阳辐射，并相应地动态调节室内温度。

图2 智能窗的选择性光吸收

具有局域表面等离激元共振(LSPR)效应的Au NRs的形态将决定光吸收特性。当Au NRs的宽高比从4增加到9时，其吸收峰呈现出从842 nm到1212 nm的红移(图2a)。导电层是用Ag NWs代替传统的刚性ITO导电玻璃制成的，而超细电致变色W₁₈O₄₉ NWs则用来分离Au NRs和Ag NWs，从而保证了可见光透过率，并在有色状态下进一步阻挡太阳辐射。

为了验证有序交叉排列结构的优越性，作者还随机喷涂等量的材料到基板上，形成无序结构。由此形成的有序的交叉排列结构可以显著降低光在各个方向上的散射。考虑到光学性能和电导率的要求，将6层W₁₈O₄₉ NW网络和4层W₁₈O₄₉/Ag NW网络叠合形成电致变色(EC)薄膜。作为比较，将6层W₁₈O₄₉/Au网络和4层W₁₈O₄₉/Ag NW网络叠合形成选择性光吸收电致变色(SLE)薄膜(图2b)。

为了匹配太阳辐射光谱，在SLE薄膜中混合了不同类型和数量的Au NRs。所有SLE薄膜的可见光透过率均高达70%，而在NIR-1中，薄膜的透过率可从61.7%调整到54.6%。随着Au NRs类型的增加，近红外光谱的吸收范围逐渐扩大，可以覆盖整个NIR-1区域(图2d)。

图3 通过电致变色功能对太阳辐射进行动态调节

电致变色的W₁₈O₄₉ NWs也能在有色状态下进一步阻挡太阳辐射。图3a、b为EC和SLE4薄膜在漂白和有色状态下的透过率光谱，有色EC窗口在可见光下的透过率为46.3%，在NIR-1下的透过率为30.5%。彩色SLE4薄膜的可见光透射率接近30%，而NIR-1的透射率只有9.1%(图3c)。

此外，在H₃PO₄/聚乙烯醇(PVA)凝胶电解质的帮助下，将SLE4薄膜封装成固态智能窗口器件(图3d)。在模型室安装固态智能窗后，SLE4智能窗在漂白状态下可降低黑体温度3.7℃，在有色状态下可降低黑体温度4.8℃(图3e)。

图4 智能窗的宽温度刺激响应范围

此前，较低相变温度的元素掺杂VO₂作为热致变色材料在炎热天气中有效阻挡太阳辐射，但在寒冷天气下会影响建筑物对充足太阳辐射的需求。为了解决这一难题，采用相同的共组装策略制备了具有宽刺激响应范围的热致变色智能窗。

首先，通过水热法合成了不同程度掺杂W的VO₂ NWs，通过差示扫描量热曲线(图4a)观察到，W-VO₂-1、W-VO₂-2和W-VO₂-3 NWs的T_c分别为45、40和35℃。然后，将上述三种W-VO₂ NWs进行共组装，制备出具有良好透明性的WRT薄膜(图4b)。

从图4c、d可以看出，WRT4薄膜在低温下近90%的近红外光可以通过，在高温下不到65%，而WRT4薄膜的可见光透过率可以保持在65%左右，无论温度如何变化，该薄膜对室内采光的影响都很小。

由于在较宽的温度范围内W-VO₂ NWs发生相变的类型和数量不同，具有较宽温度刺激响应范围的热致变色智能窗可以实现太阳光的逐渐调制(图4e)。具有宽温度刺激响应范围的智能窗比具有急剧和大转变的热致变色窗更适合实际温度变化。当温度低于30℃时，WRT4窗不遮挡阳光。一定数量的纳米线在30~40℃之间发生相变，当温度升高到50℃时，阻光能力进一步增强。这也反映在不同强度的模拟照明结果上(图4f)。

图5 智能窗的实际制冷性能及节能模拟

由于共组装策略的生产成本较低，且能够放大生产，作者制备了尺寸为25×20 cm²的大面积SLE和WRT薄膜。为了验证智能窗在真实环境条件下的有效性，将安装了玻璃、SLE和WRT智能窗的相同房屋模型在合肥市下进行光照处理(图5a)。如图5b所示，室外地面温度从29℃上升到39.8℃。实时记录这些智能窗样板房中的黑体，由于Au NRs持续吸收近红外光，在SLE窗的保证下，黑体的峰值温度只达到36℃。

在有WRT窗的样房中，随着太阳辐射的增强，越来越多的W-VO₂ NWs发生相变。与中午使用普通玻璃的样板房室外地面(41°C和39°C)相比，使用WRT窗户的黑体温度仅为36.1°C。15:00(下午3点)以后，随着太阳光减弱，WRT4窗的遮挡能力动态下降，导致WRT4窗与普通玻璃样房内温度趋于一致(图5c)。

本文进一步选取沙特阿拉伯利雅得和中国香港的气候数据分析窗口性能。仿真中，当温度高于30℃时，SLE窗的电致变色功能被激活，WRT窗的调制随环境温度动态调节。图5d、e描述了在利雅得和香港下，普通玻璃、SLE和WRT智能窗的总能量负荷。

通过使用这些智能窗户，建筑物的每月总能源负荷(包括暖通空调系统)大大减少，特别是在炎热的夏季。此外，作者通过绘制智能窗户与普通玻璃窗的能耗差异来计算节能效果(图5f)，其中，SLE窗户在利雅得和香港分别可以减少16.3%和19.6%的总能耗。

文献信息

Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation，Nature Communications，2023.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38353-4

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