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福州大學(xué)賴躍坤/黃劍瑩教授 AFM：具有雙向可調(diào)響應(yīng)溫度的日間節(jié)能、夜間保護(hù)隱私的新一代智能窗戶
2024-10-12  來(lái)源：高分子科技

  隨著全球人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的能源消耗和碳排放總量的不斷增加給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力。到2022年，建筑約占全球能源消耗的34%，占能源相關(guān)二氧化碳排放量的37%。窗戶被認(rèn)為是建筑物中最不節(jié)能的部分。熱致變色窗是一種根據(jù)溫度變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)太陽(yáng)透過(guò)率的窗戶，被認(rèn)為是一種很有前途的建筑節(jié)能裝置。熱致變色窗一般都對(duì)特定的溫度有反應(yīng)，在炎熱的中午變得不透明，在夜間溫度較低時(shí)變得透明，這可能會(huì)引起隱私問(wèn)題。同時(shí)智能窗固定的工作溫度，也限制了各種氣候環(huán)境下的使用和用戶的個(gè)人的偏好。


  近期，福州大學(xué)化工學(xué)院賴躍坤教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)預(yù)先引發(fā)單體丙烯酰胺（AAm）和丙烯酸（AA）合成P(AAm-co-AA)，實(shí)現(xiàn)了低溫響應(yīng)。然后，將N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）和AAm引入到P(AAm-co-AA)中，原位合成PNA凝膠。開(kāi)發(fā)了一種具有Tlum=84.4%、ΔTsol=69.5%的雙向響應(yīng)溫度(冷、熱)及透光區(qū)間可調(diào)的智能窗。這類材料能在炎熱天氣阻擋紅外光，而在晚上時(shí)會(huì)變得不透明從而保護(hù)居住者隱私。此外，水凝膠的最高臨界溶解溫度（Tp）和最低臨界溶解溫度（LCST）以及兩個(gè)溫度之間的透光區(qū)間可以靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同的氣候和用戶的個(gè)性化需求。該研究以題為“Bidirectional Temperature-Responsive Thermochromic Hydrogels with Adjustable Light Transmission Interval for Smart Windows“的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

雙向溫度響應(yīng)智能窗


  在P(AAm-co-AA)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)引入了NIPAm、AAm，通過(guò)原位聚合形成了具有溫度響應(yīng)性的P(AAm-co-AA)/NIPAm/AAm 水凝膠（PNA）。這種水凝膠在不同溫度下表現(xiàn)出獨(dú)特的光散射效應(yīng)，如圖1a所示，PNA水凝膠在26°C時(shí)展現(xiàn)出84.4%的高透光率，保證了室內(nèi)充足的自然光照，同時(shí)對(duì)采暖負(fù)荷的影響降至最低。當(dāng)環(huán)境溫度下降至10°C時(shí)，PNA水凝膠的透光率急劇下降至0.8%，保護(hù)了居住者隱私。相反，在36°C的高溫環(huán)境下，PNA水凝膠能有效阻擋可見(jiàn)光及近紅外光，減少室內(nèi)溫度的上升。通過(guò)圖1b的微觀結(jié)構(gòu)表征，研究團(tuán)隊(duì)揭示了PNA水凝膠在不同溫度下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。在低溫時(shí)，水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密，呈現(xiàn)出不透明的特性；而在26°C時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松，允許光線通過(guò)，賦予材料以高透明度；當(dāng)溫度升高至36°C時(shí)，水凝膠孔隙的減小和網(wǎng)絡(luò)的致密化導(dǎo)致了顯著的光散射，使窗戶變得不透明。為了確保PNA水凝膠的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)采用了傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)進(jìn)行分析，不僅驗(yàn)證了水凝膠的化學(xué)組成，也為其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性提供了科學(xué)依據(jù)。


圖1.智能窗的制備及表征


溫度介導(dǎo)的氫鍵相互作用和光調(diào)節(jié)機(jī)制


  研究團(tuán)隊(duì)深入探討了不同溫度下PNA水凝膠相分離過(guò)程中的氫鍵相互作用及其光調(diào)節(jié)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，水凝膠透明度降低，對(duì)應(yīng)的孔徑減小，水凝膠的表面變得更疏水。水的接觸角從26℃時(shí)的77.4°變化到10℃時(shí)的92.9°。在36°C時(shí)，水接觸角從26℃時(shí)的77.4°增加到102.1°（圖2b）。水凝膠網(wǎng)絡(luò)塌陷，進(jìn)而有效地散射和阻擋全光譜的陽(yáng)光。這也是PNA智能窗實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。為了探究PNA水凝膠的相變溫度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)采用了差示掃描量熱法（DSC）和流變測(cè)試等技術(shù)進(jìn)行分析，不僅驗(yàn)證了水凝膠的PNA水凝膠的LCST與PNIPAm的相變溫度基本相同約為33.1°C（圖2c），也為其不同溫度下光調(diào)節(jié)機(jī)制提供了依據(jù)。


圖2.溫度介導(dǎo)氫鍵的機(jī)理分析及光調(diào)節(jié)機(jī)制


雙響應(yīng)可調(diào)光透過(guò)區(qū)間


  為了動(dòng)態(tài)地滿足不同地區(qū)的溫度需求和居住者的個(gè)性化喜好，團(tuán)隊(duì)通過(guò)在水凝膠制備過(guò)程中，調(diào)節(jié)AAm與AA的摩爾比、NIPAm濃度、與NIPAm原位自由基共聚的AAm的含量來(lái)獨(dú)立調(diào)節(jié)智能窗的雙向響應(yīng)溫度Tp和LCST，從而調(diào)節(jié)光的透射區(qū)間。


圖3. 具有雙響應(yīng)可調(diào)透光區(qū)間的PNA智能窗


PNA智能窗的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)


  研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的PNA智能窗在22-26°C的人體舒適的溫度范圍內(nèi)，具有很高的透明度（在550 nm處超過(guò)65%）。對(duì)溫度也具有快速響應(yīng)的能力，在36℃下，透射率發(fā)生突變，并在20 s內(nèi)逐漸穩(wěn)定下來(lái)。在10℃的低溫下，透過(guò)率也在50 s內(nèi)發(fā)生變化，并逐漸穩(wěn)定下來(lái)（圖4b）。由于PNA具有特殊的雙向溫度響應(yīng)特性，在10至36°C的PNA智能窗上的相應(yīng)光譜研究記錄了全光譜透射率。在溫度較低的夜間時(shí)，PNA智能窗在可見(jiàn)光區(qū)的透光率顯著下降至0.8%，有效保護(hù)住戶隱私。但當(dāng)溫度升高到36℃時(shí)，PNA智能窗的透光率顯著降低，ΔTsol=69.5%（圖4c）。水凝膠完全不透明并阻擋陽(yáng)光（280-2500 nm）。有助于促進(jìn)室內(nèi)溫度的冷卻，降低建筑能耗。通過(guò)循環(huán)試驗(yàn)表明，PNA智能窗口具有可靠的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性（圖4h）。


圖4.PNA智能窗的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)


PNA智能窗的節(jié)能性能


  模擬室內(nèi)試驗(yàn)表明，PNA智能窗具有顯著的透光率和太陽(yáng)能調(diào)節(jié)功能，在室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和節(jié)能方面具有巨大的前景。研究團(tuán)隊(duì)將PNA智能窗安裝在模型屋中研究室內(nèi)溫度變化，并安裝具有相同厚度的空氣夾層窗戶，水夾層窗戶作為對(duì)照。在實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試中，在100 mW/cm-2氙燈光源下，相較于空氣夾層窗戶，PNA智能窗戶使室溫下降了6.4°C，較水夾層窗戶，使室溫下降了3.8°C（圖5a）。為了驗(yàn)證智能窗在實(shí)際環(huán)境條件下的有效性，設(shè)計(jì)了戶外模擬測(cè)試，與空氣夾層窗戶和水夾層窗戶相比，室溫分別降低了14.8℃和14.2℃（圖5d）。說(shuō)明使用PNA智能窗可以顯著降低空調(diào)能耗，具備優(yōu)異的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和節(jié)能性能。多次氙燈加熱和自然冷卻試驗(yàn)表明PNA智能窗具有相對(duì)穩(wěn)定的阻光能力和室溫調(diào)節(jié)性能（圖5e）。


圖5.PNA智能窗節(jié)能測(cè)試


  總結(jié)：這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)智能窗戶在節(jié)能和隱私保護(hù)的雙向應(yīng)用。雙向響應(yīng)溫度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)而產(chǎn)生與人體的舒適溫度區(qū)域相匹配的透光區(qū)間，以適應(yīng)各種氣候條件或住戶偏好，可能為未來(lái)建筑節(jié)能和隱私保護(hù)開(kāi)辟新的途徑。


  上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3804905)和國(guó)家自然科學(xué)基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046)等項(xiàng)目的大力支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413102


作者介紹



賴躍坤，福州大學(xué)教授\博導(dǎo)，，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士FRSC。2018-2023連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”(材料學(xué)科和交叉學(xué)科領(lǐng)域)，國(guó)家科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，福建省“閩江學(xué)者”特聘教授，省“杰出青年”基金、“百人計(jì)劃”項(xiàng)目獲得者。長(zhǎng)期從事多相分離與過(guò)濾純化、環(huán)境與能源化工催化、仿生表界面特殊浸潤(rùn)性膜層開(kāi)發(fā)等方面研究。發(fā)表國(guó)內(nèi)外知名期刊上合作發(fā)表SCI論文200多篇, SCI論文引用23000余次，h-index為87。申報(bào)發(fā)明專利50余項(xiàng)，包括10項(xiàng)PCT國(guó)際專利，已授權(quán)美國(guó)專利1項(xiàng)和中國(guó)發(fā)明專利20余項(xiàng)。擔(dān)任國(guó)際化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor, Polymers期刊專題主編(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化學(xué)學(xué)報(bào), Nanomaterials和Scientific Reports等期刊編委。



黃劍瑩，福州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。致力于功能性紡織纖維材料、油水分離材料、浸潤(rùn)性仿生材料及其多相過(guò)濾分離應(yīng)用研究，主持參與科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊發(fā)表論文150余篇，ESI高被引論文20余篇，論文引用15000余次；入選2019-2022年全球高被引科學(xué)家榜單、福建省高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才（B類）、泉州市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才（第二層次）等。

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（責(zé)任編輯：xu）
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