智能变色节能窗:轩窗四面明,茶酒常年温!
龙祎课题组 纳米人 2019-01-29

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第一作者:柯宇杰

通讯作者:龙祎

通讯单位:新加坡南洋理工大学

 

研究亮点:

1.结合可重构结构和等离子激元增强的VO2颗粒,提出了一种全新的自适应变色节能窗设计。

2.通过合适的窗花剪纸设计和增加应力输入,该设计展现出突破性的太阳能调节能力,同时可实现全温敏响应,或者应力和温度双响应。

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祝大家小年快乐!


为什么要研究热致变色节能窗

2018年10月8日,IPCC发布了《IPCC全球升温1.5 ℃特别报告》。这份报告强调了将全球变暖限制在1.5 ℃而不是2 ℃或更高的温度,可以避免的一系列气候变化影响。节能减碳是全球迫在眉睫需要共同应对的重大课题。在许多国家,建筑消耗约占社会总能耗的30%,且呈逐年增长趋势;其中空调通风系统占建筑总能耗的约50%,而窗户又是建筑中最耗能的部分。

 

智能节能窗被认为是一种非常有前景的技术来降低建筑能耗,节能窗可以通过调节进入室内的太阳光能,即在冬季增加室内太阳光照射,夏季减少室内太阳光照射,可有效地减少空调系统能耗。热致变色节能窗,可以响应环境温度自动调节太阳光的透过或反射,无需外接电源,是最有前景的技术之一。

 

热致变色材料研究现状

目前二氧化钒(VO2)是被研究的最广泛的一种热致变色材料,然而材料本身的局限,极大限制了其太阳光能调节能力。目前提高其太阳光能调节性能的手段主要集中在纳米颗粒,掺杂,结构设计,防反射涂层等传统纳米结构改性领域。然而这些手段对其性能的提升有限。

 

成果简介

有鉴于此,南洋理工大学龙祎课题组联合天普大学,湖南大学,中科院福建物构所和复旦大学的同仁,研发了一种新型的智能节能窗设计方法。该方法受传统剪纸术的启发,结合了具有等离子激元的VO2和可重构结构的弹性体,实现了非常高的太阳光能调节能力。

 

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图1(A)可重构结构和等离子激元增强的VO2协同作用的示意图。(B-F)VO2纳米颗粒表征。(G-H)VO2-PDMS复合弹性体示意图和照片。

 

要点1:VO2-PDMS复合弹性体的制备

太阳能光谱广泛的分布于紫外-可见光-近红外(UV-vis-NIR)波段。单一基于等离子激元增强的VO2主要提供NIR的调控,而可重构结构可提供UV-vis的调控。其协同作用可有效的调控UV-vis-NIR波段,进而大幅度增强其太阳光能调控能力。为了证明该设计,研究人员将粒径~80 nm的VO2纳米颗粒分散在PDMS基质中,形成可卷曲,可拉伸的弹性体(图1)。

 

该复合弹性体很好的保留了VO2纳米颗粒热致LSPR振。VO2的晶相会随温度变化:其纳米颗粒从低温半导体态变化为高温金属态,伴随LSPR的发生。研究还发现,该复合弹性体在高温下展现的LSPR峰位置还随VO2纳米颗粒的分散性和应力的影响。这些LSPR峰位移也很好的被模拟结果所佐证。其中,更好的VO2纳米颗粒分散可以使LSPR峰从~1380 nm蓝移到~1250 nm。而在拉伸作用下,应力主要集中在VO2纳米颗粒和PDMS的界面,VO2纳米颗粒可能与周围PDMS基质发生层离,使其周围介电常数发生变化,也造成LSPR蓝移。

 

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图2 (A-C) 随温度变化的LSPR。(D-E)随颗粒分散性变化的LSPR。(F-H) 随应力变化的LSPR。

 

要点2:复合薄膜的力学性能、光学性能

该复合薄膜具有很好可裁剪性,很容易被加工成各种形状和结构,包括可重构结构。相比于未被裁剪的,基于可重构结构的复合薄膜展现出明显不同的力学性能,其杨氏模量和任性被明显地降低。模拟验证这是因为可重构结构使该复合膜拥有独特的应力分布,使其在被拉伸状态下依然保有非常低的局部应力。研究还证明该重构结构展现出透射光率随被拉伸长度的增加而增加。通过分析各个波段的透射光的调节作用,研究者发现LSPR的调节主要发生在NIR波段,而可重构结构的调节发生在UV-visible波段更显著。

 

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图3(A-C)复合薄膜的可裁剪性,以及裁剪后的程序化结构变换。(D-F)可重构复合薄膜的力学性能测试和模拟。(G-H)可重构复合薄膜的光学性能和分析。

 

要点3:智能节能窗的性能

基于该设计的智能节能窗也可以实现随温度变化的结构变化,该节能窗展现出很好的透射光调控能力,包括在UV-vis-NIR波段,并且在100个循环内展现出非常稳定的表现。通过其太阳能调节能力的计算结果,研究者证明该性能超过之前报道的基于VO2热值变色手段。研究者更进一步探索了该智能节能窗的实际节能能力,发现比起被广泛运用的普通玻璃和LowE玻璃,该智能窗在休斯顿,香港和马德里可以表现出者富有竞争力的,或更优异的节能性能。

 

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图4 (A-C) 智能窗的示意图和照片。(D-G) 智能窗的性能测试与对比。(H-I) 实际应用中该智能窗的节能效果对比。

 

小结

总之,该研究提出了一种智能节能窗设计的新方法,对智能节能窗的进一步发展有重要意义,同时给等离子激元研究提供一种新思路。

 

致谢:

该工作立足于能源,涉及广泛学科,包括材料学,力学,光学,物理化学,以及建筑能源工程。该工作的完成离不开与新加坡南洋理工大学物理系熊启华课题组,美国天普大学机械工程系尹杰老师课题组,湖南大学土木工程学院彭晋卿课题组,复旦大学化学系赵东元课题组,和中科院福建物构所吴少凡课题组的通力合作和支持。并感谢新加坡南洋理工大学范红金教授为本解读稿件赐题目。

 

团队介绍:

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柯宇杰  先后于武汉工程大学(2013),美国纽约州立大学布法罗分校(SUNY-Buffalo)(2015)获得工学学士和硕士学位,现于新加坡南洋理工大学(NTU)攻读博士学位。主要研究领域为智能窗,以及热至变色材料的设计和应用。以第一作者在Joule, ACS Nano, Advanced Functional Materials等著名期刊上发表章。

 

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龙祎  博士,现任新加坡南洋理工的高级讲师,博士毕业于剑桥大学。她早期职业生涯成功实现两项从实验室到工业界转换,包括全球第一大的硬盘公司SEAGATE TECHNOLOGY。 过去六年,她主要研究领域集中在智能玻璃和功能性薄膜材料,作为principal investigator负责的项目获得全球华盛顿2015年度科技连接创新大奖TechConnect Innovation Award。她目前的研究兴趣包括智能响应材料的应用和功能性涂层材料。先后以通讯作者在Joule, ACS Nano, Advanced Functional Materials 等著名期刊发表多篇文章以及应邀综述。

 

参考文献:

Ke Y, Long Y, et al. Adaptive ThermochromicWindows from Active Plasmonic Elastomers[J]. Joule, 2019.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.12.024

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30630-5

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