近日，本课题组的研究论文《A Novel Liquid Flow Electrochromic Smart Window forAll-year-round Dynamic Photothermal Regulation》被Energy & Environmental Science接收。论文第一作者为博士生黄娅，通讯作者为张如范副教授。

近年来，极端天气事件频发，对全球社会和环境造成了严峻挑战。据统计，全球每年约16%的能源消耗用于建筑的供暖、通风和空调系统，以保持舒适的室内温度。窗户作为建筑中的主要能量交换媒介，对减少能源消耗至关重要。窗户的热传递包括导热、对流和热辐射，其中后者占总热传递的50%以上，是实现窗户高效光热调控的关键。热辐射覆盖了从可见光（VIS，380-780 nm）、近红外光（NIR，780-2500nm）到中红外光（MIR，8-13 μm）波段。为了减少建筑能耗、提高照明效率并适应不同季节件，智能窗需要对从VIS到MIR波段的光谱进行综合优化。电致变色智能窗（ESWs）能够在不同电压下动态调节太阳辐射，是降低能耗和提升热舒适度的潜在技术。然而，现有研究多聚焦于VIS和NIR波段的动态切换，往往忽略或无法有效调控MIR波段。研究表明，在ESWs中结合有效的MIR调控可以显著降低能耗。因此，开发能高效、动态光热管理的多波段电致变色智能窗仍是一大挑战。

电解液是ESWs的重要组成部分，但当前研究主要集中在增强其电子/离子传导能力，而忽略了电解液在光热调控方面的潜力。实际上，无论是水系还是非水系电解液，大多数电解液由于其分子振动吸收特性，在MIR波段具有高发射率。这种特性表明，通过调节电解液的存在状态，可以实现ESWs在MIR波段的动态调控。

基于这一发现，我们开发了一种新型的液流电致变色窗（LF-ESW），该窗能够通过电解液的液流状态来动态调节MIR波段的发射率，并通过控制电致变色材料的氧化还原反应来调节VIR和NIR波段的透过率。最终，所制备的智能窗能够在VIS和NIR波段实现43.53%的透过率调节，在MIR波段实现0.74的发射率调控。与商业低辐射玻璃窗相比，LF-ESWs能在炎热夏天降低室内温度7.1 ℃，在寒冷冬天提高室内温度5.6℃。能耗模拟计算显示，与普通玻璃窗相比，LF-ESWs能节省86.35 MJ m^-2的建筑能耗；与低辐射玻璃窗相比，能节省49.532 MJ m^-2的建筑能耗。这项工作突破了传统电致变色装置的局限性，为多波段动态调控节能窗提供了新的解决方案，同时也为液流电池等储能系统的光热调控应用提供了新的可能性。

图1.智能窗全年节能的动态光谱设计理念

所构建的LF-ESW器件包括聚乙烯保护层、金属锌框架、液流电解液、聚苯胺电致变色材料以及双层导电玻璃。

图2. LF-ESW的结构设计与性能

在本文中，电解液具有两大核心功能，分别是：（1）通过其独特的分子振动吸收特性实现MIR调控能力；（2）高离子电导率以确保电致变色过程中的高效电子/离子传导。此外，实验还验证了所用电解液在极端温度条件下的稳定性和阻燃特性，进一步提升了LF-ESW的安全性和可靠性。

图3. 电解液的光谱与电化学特性

所用聚苯胺电致变色变色材料能够快速切换颜色，调节VIS和NIR波段的透过率，以实现光热调控需求。此外，聚苯胺还具有优异的循环稳定性，5000圈循环后性能仅衰减5%。

图4. 聚苯胺电致变色材料的电致变色性能

在北京与海口的不同气候条件下，LF-ESW都表现出优异的温度调控能力。例如，在北京寒冷的冬季，LF-ESW能够提高室内温度约5.2 ℃；而在海口炎热的夏季，该窗则显著降低室温达7.1 ℃。

图5. LF-ESW的户外性能测试

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及清华-丰田联合基金的支持。Energy & Environmental Science由RoyalSociety of Chemistry（英国皇家化学会）出版，专注于能源转换与储存、替代燃料技术以及环境科学领域的重要、高质量研究。该期刊2024年的影响因子为32.4。

文章分类：新闻动态研究进展

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