芝加哥大学Nature Sustain重磅: 动态电致变色实现对建筑物的全年辐射热管理

研究背景

建筑物占全球能源消耗的比例高达 30%，排放的温室气体占全球温室气体的 10%，这对可持续发展的未来造成了环境和经济挑战。在如此巨大的能源消耗中，约 48% 仅用于空间供暖和制冷，需要创新以可持续地管理建筑温度并打造净零能耗建筑。尽管辐射制冷和太阳能制热材料的发展已经成功地帮助了建筑在夏天降温和在冬天收集热能，但是这些静态的材料（单一制冷或单一制热）无法适应一年四季的动态气候变化，因此极大的限制了空调在全年的节能表现。因此动态的调节建筑外墙的光学性质来帮助建适应四季的温度变化成为了进一步推动建筑节能的新契机。

关键问题

然而，动态光学调控的建筑外墙还有着一些挑战：

（1）光学性质调控的范围不够广

理想状态下，制冷状态需要很高的中红外热发射率而制热状态相反。但是这是两种极端不同的物理性质，所以很难实现调控。需要精巧的光学和材料的设计。

（2）器件的安全，环保和耐用性有待提高

新思路

有鉴于此，芝加哥大学徐伯均教授，隋忱汐等人利用巧妙的电化学和光学设计，制造出了对于可见光和中红外都透明的超宽带透明电极。进而通过电致变色技术实现对于金属纳米颗粒沉积形貌的调控，从而大范围、可逆地调控了建筑表面的中红外热辐射发射率。其中，0.85的中红外热发射率调控范围是目前的最高值。2500次的循环寿命也为实际应用提供了可能。

优势：1. 水系电解液保证了建筑使用的安全性

2. 非丢失的光学调控使得整体调控能耗可以被忽略

3. 0.85中红外热发射率调控实现全美一年10%空调和供暖节能

同时，南洋理工大学龙祎教授也在该期刊上撰写新闻推广了该研究进展。

作者也同时受邀在Nature sustainability撰写该研究的评论型文章：Radiative electrochromism for energy--efficient buildings

文章细节

图1.水性电解质电致变色中红外调制系统的概念和优势。(a) 电致变色系统的示意图演示。该设备可以在加热模式（铜沉积）和冷却模式（铜剥离）之间进行调整。(b) Cu-水和 Ag-DMSO 电解质的可燃性测试。(c) 加热模式（金属涂层）的不挥发性测试。λ = 10 微米。(d) 加热和冷却模式的 FTIR 光谱。绿色阴影区域为大气透明窗口。(e) 可调发射率对比度与不同策略的比较。(f) 切换到不同发射率的水性装置的年耗电量。红色虚线表示基准建筑物的年用电量。设备切换到不同发射率状态的年用电量占基线建筑物年用电量的百分比标记在条形图上。

图2.元素和中红外可调谐性分析。 (a) 沉积薄膜的 SEM 图像和 EDX 映射。比例尺为 50 µm。 (b, c) 沉积膜的 XPS 和 XRD 分析。 (d) 电致变色中红外系统的循环寿命测试。 (e) 不同循环次数的 FTIR 光谱。 (f) 发射率与沉积金属膜厚度的关系。有效介质理论用于拟合该关系以从物理上解释中红外可调性。发射率是在 λ = 10 µm 下测量和计算的。插图是电磁波在分层介质中传播的示意图。用于得出统计数据的样本量为 5，误差条表示平均值⟩±⟩标准差。

图3.Pt 修饰提高性能的表征和理论解释。(a) 在有和没有 Pt 修饰的透明电极上沉积的 Cu 形貌的 SEM 图像。低倍率和高倍率图像的比例尺分别为 10 µm 和 1 µm。(b) Cu 薄膜的 FTIR 光谱沉积在裸露的和 Pt 修饰的石墨烯透明电极上。两个样品都涂有相同的电荷密度，0.175 C cm-2。(c) DFT 计算的原子图。(d) 衬底（Pt 或石墨烯）与Cu 原子之间的计算吸附能，以及不同衬底上两个相邻Cu 原子之间的相互作用能。误差线代表平均值⟩±⟩标准差。

图4.四季节能应用的智能建筑外墙结构。 (a) 具有辐射热管理的智能建筑围护结构方案。通过不断调整发射率，建筑物可以在所有季节有效地保持热舒适性。 (b) 不同围护结构的建筑表面在不同环境温度下的热损失。用于得出统计数据的样本量为 5，误差条表示平均值⟩±⟩标准差。 (c) 采用电致变色装置的建筑物全年运行的暖通空调节能和节能百分比。 (d) 美国所有 15 个气候区的电致变色装置建筑外墙节能图。 (e) 安装/未安装动态发射率建筑外墙的不同隔热建筑的 HVAC 能源消耗。

总结

本研究开发了一种用于建筑物温度调节的水性电可切换电致变色建筑围护结构。首先，进行了全面的实验来证明铜水电解质的好处。水性电解质的不可燃性有助于安全的建筑应用。通过去除 Br3-/Br- 氧化还原对，金属沉积显示出非挥发性可调性，热发射率调控范围为 0.85，具有长期耐久性。其次，我们通过各种表征技术和 DFT 模拟从根本上解释了 Pt 改性对均匀电沉积的好处。最后，尽管隔热材料具有良好的节能能力，但与将额外的隔热材料安装到墙壁和屋顶的复杂过程相比，我们的动态发射率装置为节能改造提供了更方便的选择，特别是对于隔热效果差的建筑物在寒冷地区和历史建筑中。值得注意的是，未来需要努力降低原材料和制造工艺的成本，以扩大设备规模。在补充讨论中分析了电致变色中红外建筑围护结构（疏水处理、设备成本、改造等）的当前局限性和未来方向。我们希望这项研究能够为设计用于智能建筑围护结构的热发射率调制的可持续电致变色器件铺平道路，并加深对可逆金属电沉积的基本理解。

参考文献：https://www.nature.com/articles/s41893-022-01023-2

热辐射与微纳光子学

Founded by

吴小虎

山东高等技术研究院教授

微信：wuxiaohu_1992

个人主页：www.xiaohuwu.com