浙江大学韩高荣团队AM：多模态智能窗实现全气候能效调控，建筑能耗有望大幅降低

在全球能源消耗中，建筑部门占比高达39%，而采暖、通风与空调系统（HVAC）更是占据了建筑能耗的48%。窗户作为建筑围护结构中能效最薄弱的环节，其动态调控可见光、近红外（NIR）与长波红外（LWIR）辐射的能力，已成为实现室内舒适与节能的关键挑战。尽管已有研究在单一波段调控方面取得进展，可见光、NIR与LWIR的三波段独立调控及其在多气候条件下的适应性仍是一个未解决的难题。

浙江大学韩高荣教授、谭刚教授和刘涌副教授合作队开发出一种名为LHE-ED的多模态智能窗，能够通过电场驱动独立调控可见光、近红外与长波红外辐射，具备六种工作状态，显著提升建筑能效。该器件在可见光、近红外和LWIR波段分别实现了41.24%、53.95%的透射率调制和0.35的发射率变化幅度。建筑能耗模拟表明，LHE-ED在全球11种气候条件下均优于商用Low-E玻璃，最高可年减碳排放34.01 kg/m²，降低HVAC能耗34.18%。相关论文以“A Multimodal Smart Window with Visible-NIR-LWIR Electro-Modulation for All Weather”为题，发表在Advanced Materials上，论文第一作者为Zeng Yu。

研究团队首先从理想节能窗的光谱特性出发，提出了一种动态三波段调控策略（图1）。该设计充分利用太阳辐射（0.38–2.5 µm）与大气窗口（8–13 µm）的热辐射特性，夏季可通过高发射率实现辐射冷却，并灵活调节可见与NIR透射率；冬季则保持低发射率以抑制热损失，同时允许可见与NIR光进入室内提供照明与加热。图1a展示了地球与太阳、外太空之间的能量交换过程，图1b为太阳光谱与黑体辐射曲线，图1c则直观呈现了LHE-ED在夏、冬季的不同工作模式。

图1. 照明-加热-发射电调制器件（LHE-ED）利用太阳辐照与热辐射的优化功能设计。 a) 地球、太阳与外太空之间通过可见光、近红外和长波红外进行的能量交互。 b) 大气质量1.5条件下的太阳辐照度与不同温度下的黑体辐射。 c) 夏季（左）与冬季（右）理想节能LHE-ED的概念图示。

为实现双波段（可见光与NIR）独立调控，团队设计了一种PET/ITO/PB/Pt-NPs功能电极（图2）。该电极通过离子嵌入与金属电沉积的分离反应，在不同电压下实现“蓝暖态”、“明亮暖态”和“暗阻态”三种状态切换（图2a,b）。图2c展示了循环伏安测试中原位记录的695 nm与1600 nm处透射率变化，证实了Li⁺插入与Ag电沉积的机制。图2d显示了380–1600 nm范围内的透射光谱，展现出59.40%（可见）与81.88%（NIR）的调制幅度。电子显微镜图像（图2e–k）进一步揭示了Pt纳米颗粒的分布与银沉积的形貌，为其高效双波段调控提供了结构基础。

图2. PET/ITO/PB/Pt-NPs电极的双波段调制性能与实验表征。 a) 可见与近红外透射率的双波段三态调制示意图。 b) 功能电极的材料组成与通过离子插入和金属沉积分离反应的工作机制（上图）及三态对应的实物照片（下图）。比例尺：1 cm。 c) 循环伏安测试中的电流密度（上）与695 nm（中）和1600 nm（下）的原位透射率变化。 d) 380–1600 nm波长范围内的透射光谱。 e) 电极截面SEM图像。 f) Pt纳米颗粒在普鲁士蓝表面的TEM图像。 g–h) 分别对应普鲁士蓝与Pt纳米颗粒的高分辨TEM图像。 i–k) Fe与Pt的元素分布图。

为进一步扩展至LWIR波段并实现多模态调控，团队采用PE-PP/Pt-NPs作为外电极，通过可逆银电沉积动态调节发射率（图3a）。LHE-ED因此具备六种工作状态（图3b），分别对应不同的透射与发射组合。图3c通过长波红外热成像显示了20秒内表观温度降低11.7°C的过程。图3d和3e分别展示了高发射冷却状态与低发射保温状态下的光谱性能，表现出优异的光谱选择性与调制能力。图3f则通过建筑模型上的实拍与红外图像，直观展示了六种状态的实际效果。

图3. 具备可见–近红外–长波红外电调制功能的多模态节能器件。 a) 器件结构示意图。 b) LHE-ED六种工作状态示意图。 c) 长波红外热成像及表观温度随时间变化。 d) 高发射率状态下三种节能状态的光谱透射与发射/吸收特性。 e) 低发射率状态下三种节能状态的光谱性能。 f) 六种工作状态在建筑模型上的实物与红外图像。

为评估其全球适用性，团队在11种气候类型下的31个城市进行了建筑能耗模拟（图4）。结果显示，LHE-ED在所有气候区均优于商用Low-E玻璃，尤其在热带与干旱地区节能效果最为显著（图4a）。图4b以蓝圈大小表示节能量、三角底边长度表示CO₂减排量，可视化其在全球范围内的环保效益。图4c则对比了多种玻璃材料的年均碳排放，凸显LHE-ED的优越性。

图4. 全球能耗模拟。 a) 31个城市中年制冷与供暖能耗与节能率对比。 b) 全球气候区划分及节能与CO₂减排潜力分布。 c) 多种玻璃材料的年均CO₂排放量对比。

该研究首次实现了在单一电场驱动下对可见光、近红外与长波红外的三波段独立调控，为智能窗技术在节能建筑、航空航天、汽车等领域的应用提供了全新路径。未来通过电解液与基板材料的进一步优化，LHE-ED有望在柔性设备与特殊环境中实现按需色彩与温度调控，推动可持续技术的发展。

来源：高分子科学前沿

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