化学与材料科学
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随着全球人口的增长和经济的发展,大量的能源消耗和碳排放总量的不断增加给环境带来了巨大的压力。到2022年,建筑约占全球能源消耗的34%,占能源相关二氧化碳排放量的37%。窗户被认为是建筑物中最不节能的部分。热致变色窗是一种根据温度变化动态调节太阳透过率的窗户,被认为是一种很有前途的建筑节能装置。热致变色窗一般都对特定的温度有反应,在炎热的中午变得不透明,在夜间温度较低时变得透明,这可能会引起隐私问题。同时智能窗固定的工作温度,也限制了各种气候环境下的使用和用户的个人的偏好。
近期,福州大学化工学院赖跃坤教授团队通过预先引发单体丙烯酰胺(AAm)和丙烯酸(AA)合成P(AAm-co-AA),实现了低温响应。然后,将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)和AAm引入到P(AAm-co-AA)中,原位合成PNA凝胶。开发了一种具有T
lum
=84.4%、ΔT
sol
=69.5%的双向响应温度(冷、热)及透光区间可调的智能窗。这类材料能在炎热天气阻挡红外光,而在晚上时会变得不透明从而保护居住者隐私。此外,水凝胶的最高临界溶解温度(T
p
)和最低临界溶解温度(LCST)以及两个温度之间的透光区间可以灵活调整,以适应不同的气候和用户的个性化需求。该研究以题为“Bidirectional Temperature-Responsive Thermochromic Hydrogels with Adjustable Light Transmission Interval for Smart Windows“的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
在P(AAm-co-AA)的基础上,团队引入了NIPAm、AAm,通过原位聚合形成了具有温度响应性的P(AAm-co-AA)/NIPAm/AAm 水凝胶(PNA)。这种水凝胶在不同温度下表现出独特的光散射效应,如图1a所示,PNA水凝胶在26°C时展现出84.4%的高透光率,保证了室内充足的自然光照,同时对采暖负荷的影响降至最低。当环境温度下降至10°C时,PNA水凝胶的透光率急剧下降至0.8%,保护了居住者隐私。相反,在36°C的高温环境下,PNA水凝胶能有效阻挡可见光及近红外光,减少室内温度的上升。通过图1b的微观结构表征,研究团队揭示了PNA水凝胶在不同温度下的内部结构变化。在低温时,水凝胶的网络结构紧密,呈现出不透明的特性;而在26°C时,网络结构变得疏松,允许光线通过,赋予材料以高透明度;当温度升高至36°C时,水凝胶孔隙的减小和网络的致密化导致了显著的光散射,使窗户变得不透明。为了确保PNA水凝胶的化学成分和结构稳定性,团队采用了傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术进行分析,不仅验证了水凝胶的化学组成,也为其在实际应用中的可靠性提供了科学依据。
研究团队深入探讨了不同温度下PNA水凝胶相分离过程中的氢键相互作用及其光调节机制。研究发现,水凝胶透明度降低,对应的孔径减小,水凝胶的表面变得更疏水。水的接触角从26℃时的77.4°变化到10℃时的92.9°。在36°C时,水接触角从26℃时的77.4°增加到102.1°(图2b)。水凝胶网络塌陷,进而有效地散射和阻挡全光谱的阳光。这也是PNA智能窗实现高效太阳能调节的基础。为了探究PNA水凝胶的相变温度和结构稳定性,团队采用了差示扫描量热法(DSC)和流变测试等技术进行分析,不仅验证了水凝胶的PNA水凝胶的LCST与PNIPAm的相变温度基本相同约为33.1°C(图2c),也为其不同温度下光调节机制提供了依据。
为了动态地满足不同地区的温度需求和居住者的个性化喜好,团队通过在水凝胶制备过程中,调节AAm与AA的摩尔比、NIPAm浓度、与NIPAm原位自由基共聚的AAm的含量来独立调节智能窗的双向响应温度Tp和LCST,从而调节光的透射区间。
研究团队设计的PNA智能窗在22-26°C的人体舒适的温度范围内,具有很高的透明度(在550 nm处超过65%)。对温度也具有快速响应的能力,在36℃下,透射率发生突变,并在20 s内逐渐稳定下来。在10℃的低温下,透过率也在50 s内发生变化,并逐渐稳定下来(图4b)。由于PNA具有特殊的双向温度响应特性,在10至36°C的PNA智能窗上的相应光谱研究记录了全光谱透射率。在温度较低的夜间时,PNA智能窗在可见光区的透光率显著下降至0.8%,有效保护住户隐私。但当温度升高到36℃时,PNA智能窗的透光率显著降低,ΔTsol=69.5%(图4c)。水凝胶完全不透明并阻挡阳光(280-2500 nm)。有助于促进室内温度的冷却,降低建筑能耗。通过循环试验表明,PNA智能窗口具有可靠的可逆性和循环稳定性(图4h)。
模拟室内试验表明,PNA智能窗具有显著的透光率和太阳能调节功能,在室内温度调节和节能方面具有巨大的前景。研究团队将PNA智能窗安装在模型屋中研究室内温度变化,并安装具有相同厚度的空气夹层窗户,水夹层窗户作为对照。在实验室模拟测试中,在100 mW/cm-2氙灯光源下,相较于空气夹层窗户,PNA智能窗户使室温下降了6.4°C,较水夹层窗户,使室温下降了3.8°C(图5a)。为了验证智能窗在实际环境条件下的有效性,设计了户外模拟测试,与空气夹层窗户和水夹层窗户相比,室温分别降低了14.8℃和14.2℃(图5d)。说明使用PNA智能窗可以显著降低空调能耗,具备优异的室内温度调节和节能性能。多次氙灯加热和自然冷却试验表明PNA智能窗具有相对稳定的阻光能力和室温调节性能(图5e)。
总结:这项工作实现智能窗户在节能和隐私保护的双向应用。双向响应温度可以独立调节,进而产生与人体的舒适温度区域相匹配的透光区间,以适应各种气候条件或住户偏好,可能为未来建筑节能和隐私保护开辟新的途径。
上述工作得到了国家重点研发计划(2022YFB3804905)和国家自然科学基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046)等项目的大力支持。
原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413102
作者介绍
赖跃坤,福州大学教授\博导,英国皇家化学会会士FRSC。2018-2023连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”(材料学科和交叉学科领域),国家科技创新领军人才,福建省“闽江学者”特聘教授,省“杰出青年”基金、“百人计划”项目获得者。长期从事多相分离与过滤纯化、环境与能源化工催化、仿生表界面特殊浸润性膜层开发等方面研究。发表国内外知名期刊上合作发表SCI论文200多篇, SCI论文引用23000余次,h-index为87。申报发明专利50余项,包括10项PCT国际专利,已授权美国专利1项和中国发明专利20余项。担任国际化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor, Polymers期刊专题主编(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化学学报, Nanomaterials和Scientific Reports等期刊编委。
黄剑莹,福州大学教授,博士生导师。致力于功能性纺织纤维材料、油水分离材料、浸润性仿生材料及其多相过滤分离应用研究,主持参与科研项目10余项。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊发表论文150余篇,ESI高被引论文20余篇,论文引用15000余次;入选2019-2022年全球高被引科学家榜单、福建省高层次创新创业人才(B类)、泉州市高层次创新创业人才(第二层次)等。