Joule: 无需人工干预的自响应VO2智能窗——走向冬暖夏凉的新选择

近日，上海大学高彦峰课题组和南洋理工大学龙祎课题组合作在能源领域顶级期刊Cell子刊《Joule》上发表题为“Thermochromic VO₂ for Energy-efficient Smart Windows”的综述论文，以多尺度的视角，从电子结构、原子结构、纳米尺度、微米尺度、到宏观节能效率，总结了VO2材料在智能窗上的最新研究进展。综述内容涵盖本征缺陷调控、元素掺杂、应力诱导、纳米复合、孔洞设计、形貌仿生、网格化、多层膜设计等。综述最后提出了VO2的智能节能窗所面临的挑战。

中国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%。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，可有效地减少制冷取暖等空调系统能耗。上述需求通过玻璃实现，产生了各种节能窗技术。其中热致变色智能窗，可以响应环境温度自动调节太阳光红外线的透过或反射，无需外接电源，是十分有希望的一类技术。

图1. 建筑玻璃的实际应用

二氧化钒（VO₂）被认为是最前景的热致变色材料。它可以保持可见光不变，即外观不变，仅仅随温度变化调节近红外区域太阳光透射。VO2具有可逆金属-半导体相变特性；相变发生前后主要在近红外波段发生重要光学特性改变，即从低于相变温度（半导体态）的红外透明变为高于相变温度（金属态）的红外反射（图2）。

图2. VO₂的电子密度和原子结构，图a和图b为半导体态，图c和d为金属态。

 

面向应用，VO₂智能窗仍需突破相变温度、可见光透过率、太阳能调控效率和辐射系数等的相互耦合影响的问题。这些智能窗应用方面的重要参数总是此消彼长（图3），如何获得整体均衡性能是重要的发展方向。

图3.VO₂的热致变色性能(相变温度、可见光透过率、太阳能调控效率)总结

 

这篇综述系统总结了VO₂热致变色智能玻璃的研究进展。包括原子尺度的缺陷，掺杂，晶格力，和微纳米尺度内结构（图4）的对于其相变和光学性能的影响，讨论了基于该材料的多功能智能玻璃的进展。

图4. 微纳米尺度结构设计提升VO₂的热致变色性能

 

尽管基于VO₂的智能节能窗材料在近十年取得了显著进步，但是未来仍然面临许多挑战。文章系统性地，以多尺度的视角，从电子结构、原子结构、纳米尺度、微米尺度、到宏观节能效率，综述了VO₂材料在智能窗上的最新研究进展，并提出为了将该技术更好的推广和广泛应用，需要重点关注如下几个问题：

1. 如何平衡相变温度、可见光透过率、太阳能调控效率这几个参数；

2. 如何调整VO₂的颜色，使其更加符合人们的审美习惯；

3. 如何调整VO₂的热发射率； 

4. 如何提高VO₂的稳定性；

5. VO₂的毒性评价。

 

上海大学崔苑苑和南洋理工大学柯宇杰为论文的共同第一作者，上海大学高彦峰和南洋理工大学龙祎为该论文的共同通讯作者。相关系列研究获得了新加坡Nationalresearch foundation、新加坡教育部、中国国家自然科学基金、中国科技部和上海市科委等的大力资助。

作者简介

高彦峰，博士，材料学专业。上海大学教授，博士生导师，电子信息材料系主任。教育部长江学者特聘教授（2016-）。国家杰出青年基金（2013-）、中国科学院“百人计划”（2007）、上海市“浦江人才”、上海市优秀学术带头人获得者。2004年获得名古屋大学应用化学博士学位。先后在陕西科技大学、名古屋大学、武藏工业大学和中科院上海硅酸盐研究所工作。担任中国材料研究会理事、中国颗粒协会青年理事、中国硅酸盐协会特陶分会理事、中国硅酸盐协会薄膜与涂层分会理事、浙江省新材料协会理事，以及 “Scienceof Advanced Materials（ISSN: 1947-2935）”、“Journal of the Chinese Advanced MaterialsSociety（ISSN: 2224-3682）”，“Progress in Natural Science: Materials”和“材料研究学报”（ISSN：1005-3093）等多个期刊编委和全国多个重点实验室学术委员会委员。获得上海市教育系统优秀党员（2016）、入选上海大学第三届“我心目中的好导师”、中科院百人计划终期评估优秀（2012年）、国际先进材料联合会年度科学家奖(2011年)、上海硅酸盐研究所师德标兵（2011年）、日中陶瓷科学技术交流奖（2007年）、日本陶瓷协会仓田元治奖（2005年）、和首届国家自费留学生奖学金（2003年）等奖励。承担长江学者基金、上海市高峰高原、上海市双一流建设、国家杰出青年科学基金、科技部重大研发计划、上海市重大产业研究项目、863、国家科技支撑计划和上海市基础研究重点等科研项目。主要研究方向为面向建筑、工业和日用领域若干关键节能材料和薄膜的制备与应用研究，重点涉及节能窗粉体与薄膜、热障涂层、太阳热调制材料和气凝胶。发表学术论文160余篇，总被他引5000余次，h因子42。编辑英文专著1部，为6本专业书籍各撰写1章，获邀撰写综述论文3篇。申请发明专利100余项（已授权60余项）；参加并做会议报告100余次(重要国际会议特邀报告40余次)。

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，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节能涂层，功能性材料及结构。

参考文献

Y. Cui, Y. Ke, C. Liu, Z. Chen, N. Wang, L. Zhang, Y. Zhou, S. Wang, Y. Gao, Y. Long, Thermochromic VO2 for Energy-Efficient Smart Windows, Joule (2018), http://doi.org/10.1016/ j.joule.2018.06.018.

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