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二氧化釩(VO2)是一種很有前途的智能窗戶材料。當(dāng)房間寒冷時(shí)，窗戶變得透明，可見(jiàn)光和紅外光可以照射進(jìn)來(lái)給房間加熱。當(dāng)室內(nèi)溫度上升到一定程度時(shí)，窗戶會(huì)自動(dòng)反射紅外光來(lái)阻擋熱量。這就是智能隔熱窗的基本原理。
早在20世紀(jì)80年代末，美國(guó)科學(xué)家C.M. Ampert和瑞典科學(xué)家C.G. Ranqvist等人就提出了一種基于電致變色膜的新型節(jié)能窗，即智能窗，成為電致變色研究的又一里程碑。
給窗戶加氫困難重重
對(duì)于智能窗戶來(lái)說(shuō)，“智能”無(wú)疑是最關(guān)鍵的要素之一，如何更準(zhǔn)確地感知溫度的變化，通過(guò)光能調(diào)節(jié)二氧化釩，是科學(xué)家們高度關(guān)注的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在二氧化釩中加入氫原子可以驅(qū)動(dòng)它在絕緣體和導(dǎo)體中的狀態(tài)變化，帶來(lái)光線的變化，從而起到智能控制室內(nèi)溫度的作用。
然而，這種方法的實(shí)際制備成本非常昂貴。因?yàn)闅湓拥募尤胄枰F金屬如鉑或金在高溫下催化，然后注入高能量。另外，理論上二氧化釩的狀態(tài)轉(zhuǎn)化只能調(diào)節(jié)紅外光透射率小于15%，可見(jiàn)光透射率小于60%，不能完全滿足實(shí)際需要。
基于二氧化釩相變膜的溫控智能窗的概念已經(jīng)提出了幾十年，但實(shí)用的智能窗產(chǎn)品仍難以推出，主要原因有:一是太陽(yáng)光譜中紅外光的調(diào)制功率不夠強(qiáng)(一般<15%)，使得智能窗的調(diào)節(jié)效果不能滿足實(shí)際要求。
其次，可見(jiàn)光波段的透光率不夠高(一般小于60%)，不能滿足正常的室內(nèi)照明要求。另外，二氧化釩相變膜的可見(jiàn)光透射率和紅外光調(diào)制能力相互制約，難以相互兼顧。
最后，其相對(duì)較高的相變溫度(~68°C)極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。鑒于上述問(wèn)題,傳統(tǒng)的解決方案通常是減少二氧化釩摻雜和谷物nanocrystallization相變溫度,并改變二氧化釩的光學(xué)性質(zhì)的表面紋理或多層膜,但這些都是難以從根本上解決上述問(wèn)題。
中國(guó)學(xué)者打破僵局
由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒崇文和姜軍副教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題。利用已開(kāi)發(fā)的質(zhì)子-電子共摻雜策略，酸的“腐蝕”效應(yīng)被巧妙地轉(zhuǎn)化為向二氧化釩中添加氫原子的驅(qū)動(dòng)力，從而產(chǎn)生了一種非常廉價(jià)的智能窗口材料，打破了傳統(tǒng)二氧化釩材料光傳輸規(guī)律的理論限制。
研究人員開(kāi)發(fā)了一種“質(zhì)子-電子共摻雜”策略，利用廉價(jià)酸溶液中的質(zhì)子，以低成本和低能耗將腐蝕轉(zhuǎn)化為氫化。
記者了解到，質(zhì)子是帶正電荷的氫原子，是氫原子的廉價(jià)來(lái)源，而問(wèn)題是正電荷會(huì)破壞二氧化釩材料的結(jié)構(gòu)，造成腐蝕后果。
根據(jù)他們的理論預(yù)測(cè)，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)首先向二氧化釩中注入電子，帶正電荷的質(zhì)子不會(huì)腐蝕已經(jīng)積累了負(fù)電荷的材料，而是會(huì)被正電荷和負(fù)電荷的吸引力驅(qū)動(dòng)進(jìn)入材料，把它變成了一層耐腐蝕的氫“盔甲”。此外，理論研究還發(fā)現(xiàn)，不同濃度的氫原子進(jìn)入會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)，從絕緣體變成導(dǎo)體，甚至是新的絕緣體。
最后，他們成功地開(kāi)發(fā)了一種二氧化釩材料，該材料可以在室溫下應(yīng)用固體電解質(zhì)，以極低的正負(fù)偏置可逆地調(diào)節(jié)氫化反應(yīng)的濃度。其對(duì)太陽(yáng)光譜中的紅外光的調(diào)制能力達(dá)到26.5%，并實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光透過(guò)率高達(dá)70%。
這一結(jié)果超越了以往二氧化釩熱致變色和電致變色智能窗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，甚至突破了傳統(tǒng)二氧化釩溫控智能窗紅外控制能力的理論極限，大大提高了基于二氧化釩的“智能視窗”的應(yīng)用可能性。已申請(qǐng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)明專利。
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