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中國科大研制出基于一維納米材料組裝體的太陽光輻射調(diào)控智能窗戶
日期:2023-06-30   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_wangyue 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
在建筑物中,減少空調(diào)、暖氣等室內(nèi)溫控設(shè)備的過度使用,是實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要途徑之一。窗戶作為太陽光輻射能量進入建筑室內(nèi)的主要媒介,安裝可以阻擋太陽光輻射和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的智能化窗戶對于構(gòu)筑節(jié)能建筑至關(guān)重要。現(xiàn)有的智能窗戶主要是通過透明和不透明兩種光學(xué)狀態(tài)間的切換來調(diào)控太陽光輻射,這一調(diào)控過程往往為了阻擋更多的太陽光輻射而犧牲了部分可見光的透過,從而影響室內(nèi)采光照明。此外,通過有限的刺激響應(yīng)使得這些智能窗戶難以根據(jù)復(fù)雜的天氣變化和個體偏好來實現(xiàn)動態(tài)或選擇性的調(diào)控太陽光輻射。

近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊提出了智能窗戶制備新策略。該策略利用氣-液界面協(xié)同組裝的方法,分別將電致變色、熱致變色與光譜可調(diào)的納米功能單元進行有序共組裝,制備出可動態(tài)調(diào)控太陽光輻射的智能窗戶,為建筑物提供了更加有效的太陽光譜調(diào)控和熱量管理窗口。相關(guān)研究成果以Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation為題,發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。

科研人員基于一維納米材料獨特的光學(xué)性質(zhì),合成并混合不同長徑比的Au納米棒。這些Au納米棒的混合物可以選擇性吸收760-1360 nm波段的近紅外光,不會過多影響到可見光的透過,從而保證了室內(nèi)的采光照明。進而,該工作將多尺寸的Au納米棒混合物與電致變色W18O49納米線和導(dǎo)電Ag納米線共組裝成有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過外部供電,智能窗戶的外觀顏色發(fā)生顯著改變。兩者的協(xié)同作用進一步提高窗戶對于太陽光的阻擋性能(圖1a)。采用相同的界面共組裝策略,研究人員基于不同W摻雜量的W-VO2納米線的共組裝,制備出具有寬響應(yīng)范圍的熱致變色智能窗戶(WRT)。與單一類型VO2納米線的熱致變色窗戶相比,該智能窗戶將狹窄的響應(yīng)溫度從68°C擴展到30-50°C這一較寬的溫度范圍。在這種寬響應(yīng)范圍智能窗戶中,處于熱致變色狀態(tài)下的W-VO2納米線數(shù)量能夠隨著環(huán)境溫度的變化而變化,從而動態(tài)調(diào)控智能窗戶的變色性能(圖1b)。當智能窗戶安裝在房屋上時,它們會選擇性地阻擋太陽輻射,并根據(jù)施加的電壓或環(huán)境溫度的變化動態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度(圖1c)。此外,圖2a-2c是SLE和WRT智能窗戶在實際太陽光照射下的控溫結(jié)果。研究人員與熱科學(xué)與能源工程系特任副研究員趙斌和教授裴剛等合作,進一步對建筑的功耗進行仿真模擬,分析出在不同氣候類型的地區(qū)中,相較于普通玻璃窗戶,SLE和WRT智能窗戶可在炎熱的月份內(nèi)節(jié)省下更多的能源功耗(圖2d-2f)。

該研究提出了基于多組分功能納米基元的共組裝策略,實現(xiàn)了可用于太陽光譜調(diào)控智能窗戶的快速構(gòu)筑,并通過調(diào)制多類型材料的組分和結(jié)構(gòu)顯著改善了窗戶的光學(xué)性能。這一共組裝策略具有操作簡便且易于大規(guī)模制備的優(yōu)勢,為今后新型電致變色和熱致變色智能窗戶的設(shè)計、制備和應(yīng)用提供了新的解決方案。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新計劃、新基石科學(xué)基金會等的支持。南方科技大學(xué)參與研究。



圖1.智能窗戶的構(gòu)筑和調(diào)制機理示意圖。a. 基于一維電致變色W18O49納米線、導(dǎo)電Ag納米線和Au納米棒共組裝的選擇性光吸收電致變色智能窗戶(SLE);b. 基于不同W摻雜量的W-VO2納米線共組裝的寬響應(yīng)范圍的熱致變色智能窗戶(WRT);c. 在施加電壓或環(huán)境溫度的刺激下,智能窗戶對于太陽光的調(diào)控和室內(nèi)溫度的控制。


圖2. 智能窗戶的實際控溫性能及節(jié)能效率的模擬。a. 安裝SLE和WRT智能窗戶模型房屋的紅外圖像,插圖為安裝SLE和WRT智能窗戶模型房屋的實物照片;b-c. 在實際太陽光照射下,SLE智能窗戶和WRT智能窗戶的實際控溫效果;d.選取利雅得為目標城市,使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的每月能量負荷;e.選取香港為目標城市,使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的每月能量負荷;f. 在利雅得和香港使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的全年總能量負荷。 

原標題:中國科大研制出基于一維納米材料組裝體的太陽光輻射調(diào)控智能窗戶
 
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來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
 
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