科学通报|中山大学付俊教授团队综述：热致变色智能窗户材料研究进展

随着社会快速发展，能源危机日益严峻 . 在社会总能源消耗中，建筑耗能约占社会总能源耗费的 30%~40%. 为了提高建筑物的能源利用效率，通过窗户对建筑物内外能量交换进行有效控制是节能的关键 . 热致变色智能窗户通过环境温度变化来自动调节太阳光，可以有效调节室内温度，在建筑节能领域具有潜在应用价值 .

近日，中山大学材料科学与工程学院，聚合物复合材料与功能材料教育部重点实验室付俊教授团队应邀在《科学通报》杂志发表综述文章: “热致变色智能窗户材料研究进展”，总结了近年来热致变色智能窗户材料的研究进展，重点介绍了VO2、水凝胶、钙钛矿、离子液体和液晶五种代表性材料的热响应机理( 图1 )，系统地阐述了它们在智能窗户中的工作原理、最新研究进展以及仍需解决的科学问题，并展望了热致变色智能窗户的发展方向. 文章的第一作者是中山大学2023级博士生王定坤，通讯作者是付俊教授。

图1 热致变色智能窗户及主要新兴材料

文章首先介绍VO2的热致变色机理：温度高于68℃时，VO2会由绝缘单斜相(M)转变为金红石金属相(R)，透光率在近红外区域明显降低; 然后概括VO2智能窗户的最新研究进展(图2). VO2薄膜颜色发黄，可见光透过率较低(＜30%). 调整VO2薄膜的孔隙结构和限域表面等离子体共振效应(localized surface plasmon resonance，LSPR)有利于改善VO2智能窗户的透光率. VO2薄膜的τc(68℃)远高于环境温度(20~40℃)，不利于智能窗户的常规应用.元素掺杂可改变VO2的晶体结构和形貌，以降低VO2临界转变温度. 构造VO2多层薄膜和纳米复合膜有利于改善VO2智能窗户的太阳光调节能力.

图2 VO2在热致变色智能窗户中的应用

温度响应水凝胶的热致变色机理：随温度变化水凝胶分子链发生亲水-疏水转变，由溶胀状态变为塌陷状态，与水发生相分离. 其相分离结构可以散射光线，以调节太阳光辐射. 聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)是典型的低临界相容温度(LCST)型温度响应材料，在智能窗户领域得到了广泛研究(图3). PNIPAm的相转变温度约为32℃，引入小分子醇有利于降低其相转变温度(24℃)，调节PNIPAm的光散射行为可以改善其太阳光调节能力(ΔTsol提升至75.6%). 此外，温度响应的羟丙基纤维素(HPC)水凝胶也用于LCST型智能窗户研究，其转变温度约为42℃. 将水凝胶温度响应机理与其他机理结合，可赋予智能窗户丰富的调节能力.

图3 水凝胶在热致变色智能窗户中的应用

要强调的是，付俊课题组深入分析了不同纬度地区冬季、夏季的气候特点，开发了可应用于不同气候条件下的水凝胶智能窗户，可分别契合南方夏季炎热天气和供暖条件下的北方冬季寒冷天气(图4(a)).在2021年12月至2022年8月期间，以两室保温箱模型测试智能窗户在北京、大连、西安、上海、福州和广州六个不同地理位置和气候特点的城市开展了一系列模拟试验(图4(b)). 在广州3月份，可将室内温度降低4℃，节能5.14 kJ/m3. 在大连12月份，试验室的外窗温度比对照室低4.7℃，使室内节能6.05 kJ/m3，实现了“冬暖夏凉”. 利用3D打印技术，制备了网格状的温度响应水凝胶智能窗户(图4(d))，通过调控网格密度，实现了良好的可见度和太阳光调节能力(59.6%).

图4 适应多种气候的水凝胶智能窗户

钙钛矿的热致变色机理是基于它反常的结晶现象，即随着温度升高其溶解度逐渐降低，无色钙钛矿水合物相缓慢转变为有色光伏钙钛矿相，阻挡太阳光通过，实现对太阳光的智能调控(图5). 调节环境湿度可以改变热致变色钙钛矿的相转变行为，进而改善智能窗户的光学性能，25℃下可将智能窗户的Tlum提升至85%以上.

图5 钙钛矿在热致变色智能窗户中的应用

离子液体的热致变色机理是基于过渡金属化合物配合物在溶剂分子作用下八面体构型向四面体构型的转变. 热致变色离子液体的太阳光调节范围主要集中可见光区域，在近红外区域几乎没有调节作用，因此其太阳能调节能力较低. 将离子液体与其他热致变色材料复合可以改善离子液体智能窗户的光学性能(Tlum提升至66.4%，ΔTsol提升至26.5%). 将热致变色离子凝胶机理与其他机理结合，可赋予智能窗户多重调节能力.

图6 离子液体在热致变色智能窗户中的应用

液晶的热响应机理是基于温度刺激下分子取向的变化(垂直排列的结构形式转变为手性排列的焦锥织构)，在热致变色智能窗户中具有广泛的应用前景(图7). 热响应液晶材料在可见光和近红外区域均有调节作用，因此其太阳光调节能力较强，具有良好的光学性能和(67%)和的近红外光屏蔽能力(95%).

图7 液晶的热响应机理和光学照片

王定坤, 陈国旗, 付俊. 热致变色智能窗户材料研究进展. 科学通报, 2024, 69(20): 2898–2909

https://doi.org/10.1360/TB-2023-1041

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